Draagbare medische apparaten moeten worden gemaakt van materialen die zich intelligent en autonoom kunnen aanpassen aan de bewegingen van de drager en aan veranderende omgevingsomstandigheden. Denk aan toepassingen zoals zachte exoskeletten voor ondersteuning aan patiënten met een beroerte. Of patches voor gecontroleerde medicijnafgifte. Dit zijn precies het type autonoom schakelbare polymeren dat onlangs is ontwikkeld door materiaalwetenschappers.
Samenwerkende wetenschappers van de Universiteit van Stuttgart en apothekers aan de Universiteit van Tübingen hebben een paper gepubliceerd met de titel "Autonomous Adaptation of Intelligent Humidity-Programmed Hydrogel Patches". Daarin demonstreren ze hoe intelligente, autonoom schakelbare polymeren, kunnen worden geproduceerd, waarbij het woord "intelligent" verwijst naar op het feit dat de eigenschappen van het materiaal zich autonoom kunnen aanpassen aan de omgevingsomstandigheden waarin ze worden gebruikt.
Autonoom schakelbare polymeren
De stijfheid van de ontwikkelde autonoom schakelende polymeren kan met meer dan vier ordes van grootte veranderen, afhankelijk van vochtigheid en temperatuur. De materialen kunnen zelfs bij grote vervormingen elastische veranderingen ondergaan, waardoor de mechanische eigenschappen zich kunnen aanpassen aan de betreffende toepassing.
"Dit hoge aanpassingsvermogen maakt onze polymeren bij uitstek geschikt maakt voor robots die gemaakt worden van zachte organische materialen, zoals die worden gebruikt in de biogeneeskunde of in zoek- en reddingsmissies. Het sleutelwoord hier is 'zachte robotica'. Deze polymeren zijn ook zeer geschikt voor gebruik in smart skin-toepassingen, zoals exoskeletten gemaakt van zachte flexibele stoffen", vertelt Sabine Ludwigs, een van de auteurs van het artikel.
Voor beide toepassingen moet het materiaal zowel snelle als langzame bewegingen mogelijk maken, wat betekent dat het instelbare visco-elastische eigenschappen moet hebben. "Dat is precies wat het materiaal dat we hebben ontwikkeld kan doen", aldus professor Holger Steeb.
Aanpassingsvermogen
Bovendien maken het hydro-aanpassingsvermogen en het reversibele waterabsorptievermogen van het materiaal het geschikt voor gebruik als pleister voor de gecontroleerde afgifte van medicijnen via de huid. De onderzoekers experimenteerden specifiek met het vrijgeven van de pijnstiller diclofenac in een huidmodel. "Het belangrijkste mechanisme is dat het de pleister zelf is die de afgifte van het actieve ingrediënt regelt als reactie op de variabele vochtniveaus van de wond, d.w.z. afhankelijk van de vloeistoffen die uit de wond sijpelen", zegt Dominique Lunter, een farmaceut. expert gevestigd in Tübingen, Duitsland.
In de toekomst zijn de onderzoekers van plan om multifunctionele materiaalsystemen te onderzoeken, die zich autonoom kunnen aanpassen aan hun omgeving en kunnen reageren op actieve triggers, zoals elektrische prikkels. Ze zijn ook van plan simulaties te gebruiken als basis voor het modelleren en voorspellen van complexe architecturen.
Over het onderzoek
Het relevante onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van het onlangs opgerichte, interfacultaire Functional Soft Materials Laboratory (FSM Lab) aan het Data-integrated Simulation Science Cluster of Excellence van de Universiteit van Stuttgart (EXC 2075, SimTech). Dit is het resultaat van een zeer succesvolle samenwerking tussen twee onderzoeksgroepen onder leiding van Sabine Ludwigs, gespecialiseerd in polymeerchemie, en Holger Steeb, wiens werk gericht is op de mechanica en functie van slimme polymeermaterialen.
De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Advanced Materials Technologies. De samenwerkende wetenschappers staan onder leiding van prof. Sabine Ludwigs (Instituut voor Polymeerchemie) en prof. Holger Steeb (Instituut voor Mechanica, MIB) aan de Universiteit van Stuttgart en Prof. Dominique Lunter (van de afdeling Farmaceutische Technologie van de Universiteit van Tübingen).
