Deep-Sea Denizen Inspiriert Neue Polymere
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Anonim

Ein neues Material, das wie eine Seegurke von starr zu weich wechselt, könnte medizinisch wertvolle Anwendungen haben.

Wissenschaftler haben einem winzigen, gurkenförmigen Wesen, das in den Tiefen des Ozeans lebt, einen Trick gestohlen und ein neues Polymer entwickelt, das, wenn es Wasser ausgesetzt wird, seine Steifigkeit und Stärke sofort ändern kann. Die Erfinder sagen, dass die Innovation bei biomedizinischen Anwendungen wie Gehirnimplantaten für Patienten mit Parkinson-Krankheit, Rückenmarksverletzungen oder Schlaganfall nützlich sein könnte. Diese Einsätze, sagen einige Forscher, können versagen, weil sie sehr steif sein müssen, wenn sie „installiert“sind.

Bei Kontakt mit Wasser wandelt sich das Material von einem harten Kunststoff wie einem CD-Gehäuse in ein weiches Gummi um, erklärt Stuart Rowan, Associate Professor für makromolekulare Wissenschaft und Technik an der Chemieabteilung der Case Western Reserve University in Cleveland Co-Autor der neuen Studie, die in Science erscheint.

Seegurken sind natürlich immer in Kontakt mit Wasser. Die Tiere führen ihren starren bis weichen "Trick" aus, wenn sie eine Bedrohung spüren, und verhärten ihre Haut als eine Art Körperschutz.

Christoph Weder, außerordentlicher Professor in derselben Abteilung bei Case, sagte, er und Rowan hätten vor mehr als fünf Jahren daran gedacht, die Anpassung der Seegurke zu kopieren. In Zusammenarbeit mit Meeresbiologen stellten sie fest, dass das Tiefseetier seine Transformation dank Fasern aus einem als Kollagen bekannten Protein vollzog. Die Enge der Verbindungen zwischen diesen Fasern bestimmt, wie steif die Haut der Gurke ist, und wird vom Nervensystem des Tieres gesteuert.

Um ihr Polymer dazu zu bringen, dasselbe zu tun, verwendeten die Fallwissenschaftler Fasern, die in einem anderen Tiefseebewohner, in Seespritzern und auch in Baumwolle gefunden wurden. Als sie diese als Cellulose-Nanofasern bekannten Fasern mit dem kautschukartigen Polymer Ethylenoxid-Epichlorhydrin mischten, bildeten sie ein steifes Netzwerk, "fast miteinander verklebt", sagt Weder.

Aufgrund der Art der Bindungen zwischen dem Polymer und den Fasern gelangt jedoch Wasser zwischen die beiden Substanzen, wodurch die Haftung der Fasern geschwächt wird. Das Material wird dann weich.

Die unmittelbarste Anwendung für die neue Technologie, die laut Weder vom Team untersucht wird, sind Gehirnimplantate, die elektrische Impulse zur Steuerung der Bewegung verwenden. Die Wirksamkeit solcher Geräte, die größtenteils experimentell sind, neigt dazu, innerhalb weniger Monate nach der Implantation stark abzunehmen. Einige Forscher sagen, dies liege daran, dass die Geräte zu steif sind - eine Voraussetzung für das ordnungsgemäße Einsetzen - und dadurch möglicherweise eine Hirnschädigung verursachen. Weder und Rowan stellen sich vor, dass das neue Polymer während der Implantation starr ist und sich dann entspannt, sobald es mit Gehirnflüssigkeiten interagiert.

Wim L. C. Rutten, Professor für Neurotechnologie an der Universität Twente in den Niederlanden, sagt, dass das Polymer einen theoretischen Nutzen hat. "Das Gurkenpapier berührt eine interessante Idee, und es wäre sicherlich hilfreich, wenn ein Gerät der Zukunft eine Polymermatrix hätte, die nach der Implantation auf Befehl erweicht werden könnte", sagt Rutten, der nicht an der Forschung beteiligt war. Der "steife" Status sei jedoch möglicherweise nicht starr genug, um die harten Membranen zu durchdringen, die das Gehirn umgeben, sagt er.

Trotzdem ist Weder optimistisch. Er fügt hinzu, dass er und Rowan eine Version der Polymermatrix entwickeln möchten, deren Stärke mit Elektrizität verändert werden kann. Er stellt sich Anwendungen wie eine kugelsichere Weste vor, die hart werden kann, wenn ein Soldat in den Kampf zieht (aber bequemer ist, wenn der Träger nicht im Weg ist). Er sieht auch andere medizinische Anwendungen, wie beispielsweise eine Knieorthese, die geschmeidiger werden kann, wenn der Benutzer sich bewegen muss und dennoch die erforderliche Unterstützung bietet.

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