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MIT-Forscher entwickeln einen robusten Hydrogel-Hybrid, der niemals austrocknet

MIT-Forscher entwickeln einen robusten Hydrogel-Hybrid, der niemals austrocknet

Jeder mit Kontaktlinsen versteht die Frustration, die Linse jeden Tag austauschen oder in eine Flüssigkeit eintauchen zu müssen, damit sie nicht austrocknen. Das Material, aus dem sie hergestellt sind, ist ein Hydrogel, und sie sind dafür bekannt, dass sie zu einem knusprigen Durcheinander austrocknen, wenn sie nicht ständig hydratisiert werden. Im vergangenen Sommer haben Ingenieure des MIT jedoch einen Weg gefunden, um zu verhindern, dass Hydrogele austrocknen. Die Technik ermöglicht viel länger anhaltende Kontaktlinsen, Fortschritte in der flexiblen Bioelektronik und könnte möglicherweise zu einem lebensfähigen Bestandteil künstlicher Haut werden.

Herkömmliche Hydrogele verdampfen leicht, sobald sie mit Luft in Kontakt kommen. Durch das Binden elastischer Polymere (wie Gummi und Silikon, die beide wie Hydrogele dehnbar sind) wurde die äußere Schicht des Gels wasserundurchlässig. Durch Beschichten der Hydrogele mit einer dünnen Elastomerschicht entsteht eine Barriere, die das Verdampfen von Wasser verhindert und es dadurch feucht, flexibel und robust hält.

Der leitende Ingenieur des Projekts Xuanhe Zhao, Associate Professor für Karriereentwicklung bei Robert N. Noyce in der Abteilung für Maschinenbau des MIT, sagt, die Idee für das Schichtmaterial sei von der menschlichen Haut inspiriert. Ähnlich wie beim Hybridpolymer besteht die Haut aus mehreren Schichten; die äußere Epidermis, die an die darunter liegende Dermisschicht gebunden ist. Die Hauptfunktionen der Epidermis bestehen darin, als Schutzschild zu dienen, um das Eindringen von Fremdmaterial in den Körper zu verhindern und die Muskeln und Organe des Körpers vor dem Austrocknen zu schützen.

[Bearbeitet:Bildquelle:MIT / Melanie Gonick]

Anwendungen in der realen Welt

Der Hydrogel-Elastomer-Hybrid ist überraschenderweise eine Verbesserung der Haut. Die Bindung zwischen dem elastischen Polymer und dem Hydrogel ist um ein Vielfaches stärker als die Bindung zwischen der Epidermis und der Dermis. Weitere Verbesserungen werden vorgenommen, indem winzige Kanäle in das Hybridmaterial implementiert werden, um als künstliche Blutgefäße zu wirken. Andere Varianten des Materials enthalten eingebettete komplexe Ionenkreise, die Nervennetzwerke imitieren können.

Um das Material zu testen, setzten die Forscher das Elastomer UV-Licht aus. Selbst nach 48 Stunden in einer trockenen Laborumgebung blieb die Masse des Materials nahezu identisch, was bestätigte, dass das Hydrogel den größten Teil der Feuchtigkeit behielt. Weitere Tests untersuchten, wie viel Kraft erforderlich war, um das Elastomer vom Hydrogel zu trennen. Es wurde festgestellt, dass eine Kraft von mehr als 1.000 Joule pro Quadratmeter erforderlich ist, um die beiden zu trennen. Dies ist erheblich höher als die Kraft, die erforderlich ist, um die Epidermis der Haut von der Dermis zu trennen.

"Das ist sogar härter als die Haut", sagt Zhao. "Wir können das Material auch auf das Siebenfache seiner ursprünglichen Länge dehnen, und die Bindung bleibt bestehen." Er fährt fort: "Wir hoffen, dass diese Arbeit den Weg zu synthetischer Haut oder sogar zu Robotern mit sehr weicher, flexibler Haut mit biologischer Funktion ebnen wird."

Weitere Anwendungen könnten sogar sehen, dass es als "intelligenter" Verband verwendet wird. Die eingebetteten elektronischen Sensoren können Sauerstoffwerte, Blutdruck und andere wichtige Informationen überwachen und sich gleichzeitig an einen sich ständig bewegenden Körper anpassen.

Nachweis der Konvektion von Chemikalien durch die Hautkanäle[Bildquelle:MIT]

Die Kanäle fungieren als einfaches Netzwerk von Blutgefäßen, die Flüssigkeiten durch das Material transportieren und verteilen können. Die Forscher glauben, dass das Hybrid-Elastomer-Material als dehnbarer mikrofluidischer Verband verwendet werden kann, der Medikamente durch die Haut abgeben kann.

"Wir haben gezeigt, dass wir dies als dehnbaren Mikrofluidikkreislauf verwenden können", sagt Yuk. „Im menschlichen Körper bewegen sich die Dinge, biegen sich und verformen sich. Hier können wir vielleicht Mikrofluidik machen und sehen, wie sich [das Gerät] in einem sich bewegenden Teil des Körpers verhält. “

Vorwärts gehen

Die Forschergruppe hofft, das Material so zu entwickeln, dass es für ein breiteres Anwendungsspektrum geeignet ist, einschließlich als tragbares elektronisches Gerät und als bedarfsgerechter Verband zur Arzneimittelabgabe. Weitere Forschungen werden durchgeführt, um die Realisierbarkeit der Herstellung von nicht trocknenden, in Schaltkreise eingebetteten Kontaktlinsen zu testen, wodurch die Möglichkeit wesentlich haltbarerer Linsen entsteht.

"Letztendlich versuchen wir, das Argument der Verwendung von Hydrogelen als fortschrittliches Engineering-Toolset zu erweitern", sagt Zhao.

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Geschrieben von Maverick Baker

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