Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Intelligente Gele können wie ein "chemischer Muskel" arbeiten

15.02.2002


Sechseck-Muster, das spontan bei der Bildung eines selbst-strukturierenden Hydrogels entsteht. In den blauen Bereichen ist das Polymer weniger stark vernetzt als innerhalb der gelben Flecken.


Komplexes Muster, das während der Polymerisation von Acrylamid in Gegenwart von Sulfid und Sauerstoff beobachtet wird. Das Muster entsteht durch die Wechselwirkung chemischer Reaktionen mit Diffusionsprozessen


Die so genannten intelligenten Gele haben im vergangenen Jahrzehnt zunehmend Beachtung gefunden. Die physikalischen Eigenschaften dieser wasserhaltigen Gele hängen von einem äußeren Reiz ab und können somit leicht kontrolliert werden. Das eröffnete viele Einsatzmöglichkeiten, besonders in der Medizin. Am Institut für Physikalische Chemie der Uni Würzburg werden intelligente Gele erforscht.

Bereits 1975 berichtete der japanische Forscher Tanaka, dass ein ursprünglich transparentes Polyacrylamid-Gel beim Abkühlen undurchsichtig wurde. Seither wurden diverse Gele gefunden, die auf die Änderung verschiedenster physikalischer und chemischer Parameter mit Veränderungen ihrer Eigenschaften reagieren. Dabei wandeln sich zum Beispiel Aussehen, Volumen oder Struktur des Gels.

Das eröffnet viele Einsatzmöglichkeiten für diese Materialien. Die größte Bedeutung ergibt sich in der Medizin: Hier könnten intelligente Gele dazu dienen, gezielt pharmazeutische Wirkstoffe freizusetzen. Dabei kann das Gel selbst als Reservoir für Wirkstoffe eingesetzt werden, es kann aber auch dem kontrollierten Verschluss von Poren eines Reservoirs dienen. Es ist bereits ein Gel bekannt, das auf die Glucosekonzentration reagiert und das somit grundsätzlich zur kontrollierten Freisetzung von Insulin im Körper des Menschen benutzt werden könnte.

Die Arbeitsgruppe von PD Dr. Arno Münster am Würzburger Institut für Physikalische Chemie verfolgt den Ansatz, die Palette der intelligenten Gele um solche zu erweitern, die auch auf interne Reize reagieren. In früheren, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Arbeiten hat die Arbeitsgruppe die Musterbildung bei der Entstehung eines Polyacrylamid-Gels in Gegenwart einer nichtlinearen chemischen Reaktion, des "Methylenblau-Sulfid-Sauerstoff-Oszillators", untersucht. Bei dieser Reaktion beobachtet man stationäre, hoch geordnete Muster der Konzentration des Farbstoffes Methylenblau, die mit einer räumlichen Strukturierung der Geldichte korrespondieren.

Diese Arbeiten haben laut Dr. Münster deutlich gemacht, dass die Eigenschaften des Hydrogels durch eine an die Gelbildung gekoppelte nichtlineare Reaktion gesteuert werden können: "Das bei diesem Prozess entstehende Material gibt sich also selbst eine geordnete, mit bloßem Auge erkennbare Struktur."

Im Rahmen eines neuen, ebenfalls von der DFG geförderten Forschungsvorhabens untersuchen die Würzburger Wissenschaftler nun Volumenänderungen, die durch eine wellenförmig durch das Gel verlaufende Veränderung der Säureverhältnisse, eine so genannte chemische pH-Welle, ausgelöst werden.

Solche pH-Wellen können in einer Gelschicht von etwa einem Millimeter Dicke durch den Einschluss chemischer Stoffe erzeugt werden. Dank ihrer vergleichsweise langsamen Wanderungsgeschwindigkeit kann der Frontbereich der Wellen beobachtet werden.

Der Arbeitsgruppe von Dr. Münster ist die Herstellung eines Gels gelungen, das ähnlich wie ein Muskel chemische in mechanische Energie umwandeln kann. Angetrieben wird dieser "chemische Muskel" durch die im Gel ablaufenden Reaktionen. An der Front der pH-Welle ändert sich der pH-Wert um bis zu drei Einheiten. Das beeinflusst letzten Endes die Schwellfähigkeit und das Volumen des Gels, weil dessen Netzwerk funktionelle Gruppen besitzt, die in einem bestimmten pH-Bereich ein Proton aufnehmen und damit die Geleigenschaften verändern. Dadurch lässt sich eine "Stufe" von 50 Mikrometern bis 0,5 Millimetern Höhe beobachten, die über die Geloberfläche wandert.

Die pH-Welle kann wiederum von außen durch elektrische Felder kontrolliert werden. Dabei beschleunigt oder verlangsamt das Feld die Bewegung der mechanischen Welle. "Allerdings ist der Effekt des elektrischen Feldes nicht trivial. Vielmehr kann es zu einem komplexen Verhalten kommen, zum Beispiel zu raum-zeitlichen Oszillationen", so Dr. Münster. Ein wesentliches Anliegen des neuen DFG-Projektes sei es daher, diese komplexen Phänomene besser zu verstehen.

Weitere Informationen: PD Dr. Arno Münster, T (0931) 888-6305, Fax (0931) 888-6302, E-Mail: 
phch030@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw

Weitere Berichte zu: DFG Gel Muskel Welle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der Evolutionsvorteil der Strandschnecke
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Mobile Goldfinger
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit

Antibiotikaresistenz zeigt sich durch Leuchten

28.03.2017 | Biowissenschaften Chemie