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Hydrogel mit Mikrostrukturen Material wechselt Farben wie Chamäleon

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Vergrößerung des Querschnitts des farbverändernden Hydrogels mit Mikrorillenmuster.

(Foto: Fu et al., Sci. Robot. 3, eaar8580 (2018))

Forscher entwickeln ein Mikrogel in Form eines Schmetterlings, der mit den Flügeln schlägt und dabei die Farbe wechselt. Damit könnte man zum Beispiel Herzmedikamente gezielt auf ihre Wirkung testen. Wie soll das funktionieren?

Es sieht aus wie ein Schmetterling, dessen Farben sich beim Flügelschlag verändern - doch tatsächlich ist es ein Hydrogel mit Mikrostrukturen. Chinesische Wissenschaftler haben Material so gestaltet, dass es Licht unterschiedlich reflektiert - je nachdem, ob es minimal gedehnt oder gestaucht wird. Als Vorbild diente ihnen der Farbwechsel beim Chamäleon, wie die Gruppe um Yuanjin Zhao von der Southeast University in Nanjing im Fachjournal "Science Robotics" schreibt. Das Material könnte demnach etwa zum Prüfen von Herzmedikamenten eingesetzt werden.

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Hydrogel auf dem Herzzellen-Chip.

(Foto: Fu et al., Sci. Robot. 3, eaar8580 (2018))

Nicht alle Farben werden bei Lebewesen durch Farbpigmente hervorgerufen. Bei vielen Pflanzen und Tieren sorgen winzige Oberflächenstrukturen dafür, dass sich die sichtbaren Farben je nach Perspektive und Lichteinfall ändern. Seit einigen Jahren können Wissenschaftler solche Oberflächen mit Nanotechnologie herstellen. Zhao und Kollegen haben derartige Materialien nun erstmals mit einer autonomen Bewegung ausgestattet: Dafür sorgen Herzmuskelzellen, die sich wie beim schlagenden Herzen regelmäßig zusammenziehen.

Biokompatible Oberfläche

Zunächst entstand ein Gitter aus Siliziumdioxid-Nanopartikeln. Ein darauf gegossenes Hydrogel füllte zunächst alle Hohlräume. Mit ultraviolettem Licht härteten die Forscher das Gel aus, mit einem Ätzverfahren entfernten sie dann die Nanopartikel. So erhielten sie eine biokompatible Oberfläche mit exakt abgestimmten Hohlräumen. Darauf siedelten sie Herzmuskelzellen von jungen Ratten an. Nach einer Weile synchronisierten diese ihre Kontraktion, und bei jedem "Herzschlag" änderte die Oberfläche ihre Farbe.

Um die Herzmuskelzellen dazu zu bringen, sich beim Ansiedeln auf dem Hydrogel gleichförmig auszurichten, verwendete das Team um Zhao Mikrorillen. Durch eine entsprechend geformte Unterlage weist das Hydrogel nach dem Aushärten winzige Längsrillen auf. Tatsächlich konnten die Forscher zeigen, dass sich mehr als die Hälfte der Zellen an den Rillen ausrichteten. Das verbessert ihre zeitgleiche Kontraktion. Für den Schmetterling gestalteten die Forscher das Mikrogel in Form des Insekts, für den Flügelschlag wurden die Mikrorillen so angeordnet, dass sie von einem Zentrum ausstrahlen.

Biomedizinische Anwendung

Schließlich testeten Zhao und Kollegen eine biomedizinische Anwendung: In einer kleinen, mit Flüssigkeit gefüllten Kammer reihten sie mehrere Stücke des Materials auf. Bei entspannten Muskeln leuchtete das Material rot, bei Kontraktionen dagegen in Regenbogenfarben. Mit verschiedenen Konzentrationen der Substanz Isoproterenol beeinflussten die Forscher die Geschwindigkeit der Muskelbewegungen.

Nach ihrer Auffassung könnte man mit dieser Vorrichtung die Wirkung von Medikamenten auf Herzzellen testen, wobei die Farbwechsel die Reaktionen widerspiegeln. Bei einer weiteren Verbesserung des Verfahrens könnten sogar Veränderungen einzelner Muskelzellen erkannt werden, schreiben die Wissenschaftler. Sie gehen außerdem davon aus, dass ihr Verfahren eine "breite Anwendung bei der Gestaltung einer Vielzahl von intelligenten Antriebselementen und Soft-Robotics-Geräten" finden kann.

Quelle: ntv.de, Stefan Parsch, dpa