Selbstheilende und rissfeste Hydrogel-Mikrofasern, inspiriert von Spinnenseide.

19. Mai 2023 feature

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

In den letzten Jahren haben Materialwissenschaftler neue Materialien mit einer Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften geschaffen, die die Leistung verschiedener Technologien und Geräte verbessern könnten. Dazu gehören hydrogelbasierte Fasern und künstliche Haut, die dazu beitragen könnten, weiche humanoide Roboter, Prothesen und sogar bequeme Smart Clothes oder tragbare Geräte zu schaffen.

Forscher der Donghua University in China haben kürzlich neue hydrogelbasierte Mikrofasern entwickelt, die robust, selbstheilend und rissfest sind. Diese Mikrofasern, die in Nature Communications vorgestellt wurden, wurden mithilfe eines Prozesses hergestellt, der von der Art und Weise inspiriert wurde, wie Spinnen ihre Netze spinnen.

'Wir haben festgestellt, dass zwar eine Vielzahl von synthetischen hydrogelen Fasern synthetisiert wurden, um die grundlegenden Funktionen biologischer Fasern wie Seide, Muskel- und Nervenfasern nachzuahmen, aber die meisten von ihnen eine sehr schlechte Schadensresistenz aufweisen, was ihre Haltbarkeit erheblich einschränkt', erklärte Shengtong Sun, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore. 'Dies könnte durch das Lernen der Struktur von Spinnenseide gelöst werden, die fast die Grenze der Zähigkeit bekannter natürlicher biologischer Materialien darstellt.'

Spinnen spinnen sehr starke Seidenfäden aus einer wässrigen dope, einer flüssigkristallinen Lösung, in der Proteinmoleküle frei bewegt werden können, während sie einen gewissen Grad an Ordnung beibehalten. Die von ihnen geschaffenen Netze haben eine hierarchische Nano-strukturierte Form, die vorteilhafte mechanische Eigenschaften aufweist.

'Wir haben uns vorgestellt, dass der ionische Komplex eines hygroskopischen, positiv geladenen Polyelektrolyten (PDMAEA-Q) und Polymethacrylsäure (PMAA) ein ideales System zur Herstellung schadensresistenter hydrogeler Fasern sein könnte', erklärte Sun. 'Im gebildeten Faden würde PMAA starke wasserstoffgebundene Cluster bilden, die in der weichen Matrix der ionischen Komplexe eingebettet sind. Dies könnte theoretisch die Nanostruktur von Spinnenseide imitieren und zu einer verbesserten mechanischen Leistung führen.'

Die Hydrogel-Mikrofasern der Forscher wurden unter Umgebungsbedingungen produziert, genau wie die, in denen Spinnen ihre Netze produzieren. Sie verwendeten eine Technik namens Pultrusionspinnen, um die Fasern aus einer wässrigen Lösung herzustellen, die PMAA und PDMAEA-Q enthielt.

'Die spontane Nano-Konfinierung von PMAA-Ketten (H-gebundene Cluster) tritt während der Wasserverdampfung als getrennte Nanophasen auf, die in der weichen PDMAEA-Q/PMAA-Matrix eingebettet sind', sagte Sun. 'Diese hierarchische Nano-Konfinierung verleiht Hydrogel-Mikrofasern sehr hohe mechanische Eigenschaften. Zum Beispiel ist die Hydrogel-Faser ziemlich robust mit einem hohen Young′s-Modul von 428 MPa und einer Dehnung von 219%.'

Bei den ersten Bewertungen zeigten die von den Forschern geschaffenen Mikrofasern sehr vielversprechende Eigenschaften. Sie hatten eine hohe Dämpfungskapazität und Rissbeständigkeit, sowie eine hohe Feuchtigkeitsempfindlichkeit, die es ihnen ermöglichte, sich zusammenzuziehen, spezifische Formen beizubehalten und sich schnell selbst zu heilen, wenn sie beschädigt wurden.

'Im Allgemeinen erfordern hohe mechanische Eigenschaften starke kovalente Bindungen, während die schnelle Reparaturfähigkeit hochdynamische Netzwerke erfordert, die sich widersprechen', sagte Sun. 'Wir lösen dieses Problem, indem wir die Spinne-Seide-ähnliche Nano-Konfinierung verwenden. Diese hierarchische Struktur bildet sich während der Wasserverdampfung spontan, wodurch aufwendige und energiekostende Schritte für weitere Behandlungen vermieden werden.'

Die jüngsten Arbeiten dieser Gruppe von Forschern könnten bald die Herstellung anderer hochleistungsfähiger Fasermaterialien basierend auf Nano-Konfinierungsstrukturen und ähnlichen Spinnprozessen inspirieren. Darüber hinaus könnten die von ihnen geschaffenen, von Spinnenseide inspirierten Hydrogel-Mikrofasern bald in realen Umgebungen angewendet und bewertet werden, zum Beispiel als Aktivierungsfasern von Prothesen oder tragbaren Geräten.

'Wir haben gezeigt, dass Hydrogel-Fasern mit einer Nano-Konfinierungsstruktur sehr gute Eigenschaften aufweisen können, aber die Zähigkeit der Fasern ist noch nicht mit der von echter Spinnenseide vergleichbar', fügte Sun hinzu. 'In Zukunft werden wir versuchen, noch stärkere Nanokristalle als Nano-Konfinierungen einzuführen, um die mechanischen Eigenschaften von Hydrogel-Fasern weiter zu verbessern.'

More information: Yingkun Shi et al, Aqueous spinning of robust, self-healable, and crack-resistant hydrogel microfibers enabled by hydrogen bond nanoconfinement, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37036-4

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