Team entwickelt Form

6. Juli 2023

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von der Universität Hongkong

In der Natur findet man häufig Strukturen, die sowohl weiches als auch hartes Material kombinieren. Diese Strukturen sind für vielfältige mechanische Eigenschaften und Funktionen biologischer Systeme verantwortlich. Ein typisches Beispiel dafür ist die menschliche Wirbelsäule, die abwechselnd aus harten Knochen und weichen Bandscheiben besteht. Dies ist eine wesentliche Architektur, die den menschlichen Körper stützt und gleichzeitig die Flexibilität des Körpers aufrechterhält.

Die Nachahmung der Weich-Hart-Struktur in der Natur kann grundsätzlich als Inspiration für die Gestaltung künstlicher Materialien und Geräte wie Aktoren und Roboter dienen. Die Realisierung dieser Strukturen war jedoch äußerst anspruchsvoll, insbesondere im Mikromaßstab, wo die Materialintegration und -manipulation äußerst unpraktisch wird.

Mit dem Ziel, biomimetische Materialien im Mikromaßstab voranzutreiben, hat das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Yufeng Wang vom Department of Chemistry der University of Hong Kong (HKU) eine neue Methode zur Herstellung mikroskaliger Überstrukturen namens MicroSpine entwickelt, die sowohl über weiche als auch weiche Eigenschaften verfügen harte Materialien, die die Struktur der Wirbelsäule nachahmen und als Mikroaktoren mit formverändernden Eigenschaften fungieren können. Dieser in Science Advances veröffentlichte Durchbruch wurde durch kolloidale Anordnung erreicht, einen einfachen Prozess, bei dem sich Nano- und Mikropartikel spontan in geordneten räumlichen Mustern organisieren.

Viele biologische Organismen, von Säugetieren über Arthropoden bis hin zu Mikroorganismen, enthalten Strukturen aus synergistisch integrierten weichen und harten Komponenten. Diese Strukturen gibt es in unterschiedlichen Längen von Mikrometern bis hin zu Zentimetern und sind für die charakteristischen mechanischen Funktionen biologischer Systeme verantwortlich. Sie haben auch die Entwicklung künstlicher Materialien und Geräte wie Aktuatoren und Roboter angeregt, die je nach externen Hinweisen ihre Form ändern, sich bewegen oder Betätigungen ausführen.

Während Weich-Hart-Strukturen auf der Makroskala (Millimeter und darüber) leicht herzustellen sind, sind sie auf der Mikroskala (Mikrometer und darunter) viel schwieriger zu realisieren. Dies liegt daran, dass es immer schwieriger wird, mechanisch unterschiedliche Komponenten in kleinerem Maßstab zu integrieren und zu manipulieren. Herkömmliche Fertigungsmethoden wie die Lithographie stoßen bei der Herstellung kleiner Komponenten mithilfe von Top-Down-Strategien auf mehrere Einschränkungen. Beispielsweise kann es zu einer geringen Ausbeute kommen, weil Fertigungsprozesse in kleinem Maßstab komplexer sind und eine höhere Präzision erfordern, was das Risiko von Mängeln und Fehlern im Endprodukt erhöhen kann.

Um die Herausforderung anzugehen, wählten Dr. Wang und sein Team einen anderen Ansatz, die sogenannte kolloidale Assemblierung. Kolloide sind winzige Partikel, die 1/100 der Größe eines menschlichen Haares haben und aus verschiedenen Materialien hergestellt werden können. Bei richtiger Konstruktion können die Partikel miteinander interagieren und sich spontan zu geordneten Überstrukturen zusammenfügen.

Als Bottom-up-Methode ist die kolloidale Anordnung für die Herstellung mikroskaliger Strukturen von Vorteil, da sie eine präzise Kontrolle über die Bildung der gewünschten Strukturen aus verschiedenen Bausteinen ermöglicht und eine höhere Ausbeute erzielt. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, die Partikel so zu steuern, dass sie sich zu der gewünschten Weich-Hart-Struktur zusammenfügen.

Durch die Verwendung der Wirbelsäule als Grundlage für das Design hat das Team neue Partikel erfunden, die aus metallorganischen Gerüsten (MOFs) abgeleitet sind, einem aufstrebenden Material, das sich mit hoher Direktionalität und Spezifität zusammensetzen kann. Da diese MOF-Partikel auch die harte Komponente sind, können sie sich mit weichen Flüssigkeitströpfchen zu linearen Ketten verbinden. Die harten und weichen Komponenten nehmen abwechselnde Positionen in der Kette ein und imitieren so die Struktur der Wirbelsäule, also die MicroSpine.

„Wir führen außerdem einen Mechanismus ein, durch den sich die weiche Komponente der Kette ausdehnen und schrumpfen kann, wenn MicroSpine erhitzt oder abgekühlt wird, sodass sie ihre Form reversibel ändern kann“, erklärten Dengping Lyu, der Erstautor der Arbeit, sowie der Ph. D. Kandidat im Fachbereich Chemie der HKU.

Mithilfe des MicroSpine-Systems demonstrierte das Team außerdem verschiedene präzise Betätigungsmodi, bei denen die weichen Teile der Kette gezielt verändert werden. Darüber hinaus wurden die Ketten zur Einkapselung und Freisetzung von Gastobjekten verwendet, die ausschließlich durch die Temperatur gesteuert werden.

Die Realisierung dieser Funktionen ist für die zukünftige Entwicklung des Systems von Bedeutung, da sie zur Schaffung intelligenter Mikroroboter führen könnte, die in der Lage sind, anspruchsvolle Aufgaben im Mikromaßstab auszuführen, wie z. B. Arzneimittelabgabe, lokalisierte Sensorik und andere Anwendungen. Die hochgradig einheitlichen und präzise strukturierten mikroskaligen Komponenten könnten zur Schaffung effektiverer Arzneimittelabgabesysteme oder Sensoren verwendet werden, die spezifische Moleküle mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit erkennen können.

Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass diese Technologie einen wichtigen Schritt zur Entwicklung komplexer Geräte und Maschinen im Mikromaßstab darstellt. Dr. Wang erklärt: „Wenn man an moderne Maschinen wie Autos denkt, sind sie aus Zehntausenden unterschiedlichen Teilen zusammengesetzt. Unser Ziel ist es, mit verschiedenen kolloidalen Teilen den gleichen Grad an Komplexität zu erreichen.“ Durch die Inspiration aus der Natur hofft das Forschungsteam, mehr biomimetische Systeme zu entwickeln, die komplexe Aufgaben im Mikromaßstab und darüber hinaus erfüllen können.

Mehr Informationen: Dengping Lyu et al., Biomimetische thermoresponsive Überstrukturen durch kolloidale weiche und harte Coassemblierung, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh2250

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Fortschritte

Zur Verfügung gestellt von der University of Hong Kong