Wundheilung 2.0: Hydrogel heilt sich selbst

Berlin -

Forschende der finnischen Aalto-Universität und der Universität Bayreuth haben ein neues Hydrogel entwickelt, das erstmals die Eigenschaften von Festigkeit, Elastizität und Selbstheilung vereint. Es nutzt ultradünne Ton-Nanosheets, die das Material stabilisieren und regenerieren. Dieses Hydrogel könnte zukünftig in der Wundheilung von chronischen Wunden, Verbrennungen und diabetischen Geschwüren eingesetzt werden.

Hydrogelpflaster haben sich als effektive Lösung für die Wundheilung etabliert, indem sie eine feuchte Umgebung schaffen, die die Regeneration von Hautgewebe fördert und gleichzeitig den Heilungsprozess beschleunigt. Auch die menschliche Haut besitzt gelartige Eigenschaften, hebt sich jedoch durch ihre einzigartige Kombination aus Festigkeit, Flexibilität und Selbstheilungsfähigkeit hervor. Sie kann sich nach Verletzungen oft innerhalb von 24 Stunden regenerieren.

Angesichts der bemerkenswerten Fähigkeiten der menschlichen Haut wird in der materialwissenschaftlichen Forschung zunehmend an funktionalen Materialien gearbeitet, die diese Eigenschaften nachahmen. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Aalto-Universität und der Universität Bayreuth hat nun ein innovatives Hydrogel entwickelt, das erstmals Festigkeit, Elastizität und Selbstheilung in einem Material vereint.

Wie ein Stapel Druckerpapier

Der Schlüssel zu dieser Entwicklung liegt in ultradünnen Ton-Nanosheets, die von Professor Dr. Josef Breu an der Universität Bayreuth entwickelt wurden. Diese Nanosheets ermöglichen eine hochgeordnete Struktur mit dicht verschlauften Polymerketten, die das Material sowohl stabilisieren als auch seine Regenerationsfähigkeit bewahren. Diese Technologie erlaubt ein breites Anwendungsspektrum, unter anderem in der Wundheilung.

Forschende untersuchten dies in einer aktuellen Studie mit 120 Proben, um den Zusammenhang zwischen mikrostrukturellen Eigenschaften und makroskopischem Verhalten zu verstehen. Dabei wurden modernste Methoden wie Elektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie eingesetzt, um die Anordnung der ultradünnen Ton-Nanosheets zu charakterisieren. Diese Nanosheets, die in Wasser gleichmäßig aufquellen, bilden eine hochgeordnete Struktur – ähnlich einem Stapel Druckerpapier, bei dem die Blätter in einem Abstand von etwa einem Millimeter angeordnet sind. Ein Hydrogelfilm mit einer Dicke von einem Millimeter enthält etwa 10.000 Lagen dieser Nanosheets, was die Werkstoffeigenschaften maßgeblich verbessert.

Das Ergebnis: Durch gezielte Modifikationen der Materialstruktur kann die mechanische Stabilität um bis zu 30 Prozent gesteigert werden – mit Elastizitätsmodulen von bis zu 50 Megapascal und Zugfestigkeiten von bis zu 4,2 Megapascal.

Selbstheilung inklusive

Darüber hinaus besitzt das Hydrogel auch außergewöhnliche selbstheilende Eigenschaften: Vier Stunden nach einem Schnitt regeneriert sich das Material bereits zu 80 bis 90 Prozent, während nach 24 Stunden in der Regel eine vollständige Reparatur erfolgt. Chen Liang, Postdoktorand an der Aalto-Universität, erklärt: „Die UV-Strahlung der Lampe bewirkt, dass sich die Moleküle verbinden und ein elastischer Feststoff – ein Gel – entsteht.“

Hang Zhang von der Aalto-Universität fügt hinzu: „Verschlaufung bedeutet, dass sich die Polymerketten wie winzige Wollfäden umeinander wickeln – in zufälliger Anordnung. Auf molekularer Ebene sind sie äußerst dynamisch. Wird das Material durchtrennt, beginnen sich die Fäden erneut ineinander zu verschlaufen.“ Diese Kombination aus ultradünnen, aber breitflächigen Nanosheets und der dynamischen Vernetzung der Polymerketten ermöglicht es, dass das Hydrogel sowohl steif als auch flexibel bleibt – Eigenschaften, die es für Anwendungen in der gezielten Medikamentenfreisetzung, der Wundheilung, in Soft-Robotik-Sensoren und als künstliche Haut prädestinieren.

Die Wissenschaftler:innen betonen, dass diese Entwicklung einen entscheidenden Fortschritt darstellt. „Steife, starke und selbstheilende Hydrogele waren lange eine Herausforderung. Wir haben einen neuen Mechanismus entdeckt, um konventionell weiche Hydrogele zu verstärken. Dies könnte die Entwicklung neuer Materialien mit bio-inspirierten Eigenschaften revolutionieren“, erklärt Hang Zhang. Zukünftige Studien sollen sich auf die Optimierung der Produktionsprozesse und die detaillierte Untersuchung der Mechanismen der Nanokonfinierung und Selbstheilung konzentrieren, um eine industrielle Skalierung zu ermöglichen.

Die Studie mit dem Titel „Stiff and self-healing hydrogels by polymer entanglements in co-planar nanoconfinement“ wurde von der Aalto-Universität in Espoo (Finnland) und dem Bavarian Polymer Institute der Universität Bayreuth (Deutschland) durchgeführt und in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.