Ein internationales Forscherteam hat Goldnanostäbchen in Hydrogele eingebettet, die mittels 3D-Druck verarbeitet werden können. Diese Strukturen ziehen sich bei Lichteinwirkung zusammen und dehnen sich wieder aus, sobald das Licht entfernt wird. Diese reversible Kontraktion und Expansion macht die 3D-gedruckten Strukturen zu fernsteuerbaren Aktuatoren.
Joe Tracy, Professor für Materialwissenschaften und -technik an der North Carolina State University und Co-Autor der Studie, sagt dazu in einer Mitteilung der Universität:
„Wir wussten, dass man Hydrogele drucken kann, die sich bei Erwärmung zusammenziehen. Und wir wussten, dass man Goldnanostäbchen in Hydrogele einarbeiten kann, um sie lichtempfindlich zu machen. Das Ziel war es, eine Methode zu entwickeln, um diese lichtempfindlichen Strukturen zu drucken.“
Funktionsweise und Herstellung der Hydrogele
Hydrogele sind Polymere, die Wasser enthalten. Beispiele dafür sind Kontaktlinsen und die absorbierenden Materialien in Windeln. Technisch gesehen drucken die Forscher keine fertigen Hydrogele, sondern eine Lösung, die Goldnanostäbchen und alle notwendigen Bestandteile zur Herstellung eines Hydrogels enthält.
Julian Thiele, Professor für Organische Chemie an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und Co-Autor der Studie, sagt dazu:
„Wenn diese gedruckte Lösung Licht ausgesetzt wird, bilden die Polymere eine vernetzte molekulare Struktur. Dies verwandelt die Lösung in ein Hydrogel, wobei die Goldnanostäbchen im Material verteilt sind.“
Da die vorhydrogele Lösung eine sehr niedrige Viskosität aufweist, kann sie nicht auf ein normales Substrat gedruckt werden, ohne dass sie sich ausbreitet. Um dies zu lösen, druckten die Forscher die Lösung in eine transparente Gelatinesuspension. Das Licht kann durch diese Matrix dringen und die Lösung in ein festes Hydrogel umwandeln. Danach wird das Ganze in warmes Wasser getaucht, wodurch die Gelatine schmilzt und die 3D-Hydrogel-Struktur zurückbleibt.
Anwendungsbereiche und Potenzial
Bei Lichteinwirkung wandeln die eingebetteten Goldnanostäbchen das Licht in Wärme um. Dies führt dazu, dass sich die Polymere im Hydrogel zusammenziehen, Wasser herausdrücken und die Struktur schrumpfen lassen. Entfernt man das Licht, kühlen die Polymere ab und nehmen wieder Wasser auf, wodurch das Hydrogel zu seiner ursprünglichen Größe zurückkehrt.
Melanie Ghelardini, Erstautorin der Studie und ehemalige Doktorandin an der NC State, führt dazu aus:
„Es wurde viel Arbeit in Hydrogele investiert, die sich bei Erwärmung zusammenziehen. Wir haben nun gezeigt, dass dasselbe bei Lichteinwirkung möglich ist und dass dieses Material 3D-druckbar ist. Anwendungen, die bisher direkte Wärmezufuhr erforderten, könnten jetzt aus der Ferne durch Beleuchtung ausgelöst werden.“
Thiele ergänzt:
„Der 3D-Druck von Hydrogelstrukturen bietet nahezu unbegrenzte Gestaltungsmöglichkeiten. Er ermöglicht das Vorprogrammieren spezifischer Bewegungen während der lichtgesteuerten Kontraktion und Expansion unseres lichtempfindlichen Materials.“
Die Forschung wurde unter anderem von der National Science Foundation und der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift „Polymers“ unter dem Titel „3D-Printed Hydrogels as Photothermal Actuators“ veröffentlicht.
