Intelligente Hydrogele

Sie sorgen zum Beispiel für trockene Babypopos: Hydrogele, dreidimensionale Polymernetzwerke, die ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Flüssigkeit speichern können. Doch ihre spezifischen Eigenschaften eröffnen den Hydrogelen darüber hinaus interessante Einsatzmöglichkeiten für zukunftsträchtige technische, biomedizinische und naturwissenschaftliche Anwendungen. Dies hat auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft erkannt, die ab 2006 ein Schwerpunktprogramm zu diesem Forschungsbereich fördern wird. Koordinatorin des Schwerpunktprogramms ist Prof. Dr. Gabriele Sadowski, Inhaberin des Lehrstuhls für Thermodynamik am Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen der Universität Dortmund.

Hydrogele sind dreidimensionale Polymernetzwerke, die ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser speichern können. Aufgrund ihres hohen Wassergehaltes sind sie in der Natur weit verbreitet. So besteht pflanzliches und tierisches Gewebe überwiegend aus natürlichen Hydrogelen. Aber auch für technische Anwendungen, z.B. in der Verfahrenstechnik, der Biotechnologie oder der Medizintechnik gewinnen Hydrogele zunehmend an Bedeutung. Die wohl bekannteste, bereits realisierte Anwendung, die auf der extremen Aufnahmefähigkeit für Wasser beruht, ist die Verwendung als Superabsorber, wie sie z.B. in Hygieneartikeln eingesetzt werden. Hiermit ist jedoch nur ein Bruchteil des Potenzials dieser zukunftsträchtigen und vielversprechenden Materialien ausgeschöpft.
Ansatzpunkt für vielfältige innovative Einsatzmöglichkeiten als „Intelligente Hydrogele“ sind Eigenschaften dieser Materialien, die weit über die bloße Fähigkeit zur Wasserspeicherung hinausgehen.

So haben sie die Fähigkeit, in wässrigen Medien in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen zu quellen bzw. zu entquellen (schrumpfen). Sie können damit bereits auf geringe Änderungen von Eigenschaften der Umgebung, z.B. von Temperatur, pH-Wert, Konzentration dritter Stoffe, des elektrischen Potenzials, Druck- oder Lichteinwirkung reagieren. Aus dieser Sensitivität gegenüber der Umgebung ergeben sich verschiedene potenzielle Anwendungen, z.B. als controlled-release Systeme zur Freisetzung von medizinischen Wirkstoffen im Körper, als Sensoren, oder als pseudomuskuläre Aktoren, die im Bereich der Robotik neue Wege eröffnen oder als Ersatz für muskuläre Hohlorgane dienen können. Weitere interessante Anwendungsgebiete der Hydrogele ergeben sich aus der Tatsache, dass es mit Hilfe des Gels möglich ist, strukturierte wässrige Medien zu schaffen z.B. zur Funktionalisierung von Oberflächen oder zur Immobilisierung von Enzymen für biotechnologische Zwecke.

Allerdings sind bisher nur wenige der potenziellen Anwendungen auch umgesetzt worden. Die Ursache hierfür liegt in den nicht hinreichend bekannten Zusammenhängen zwischen den physikalischen Eigenschaften der Gele und ihren Anwendungseigenschaften einerseits, sowie den für das Maßschneidern gewünschter Eigenschaften erforderlichen Konzepten der Synthese und Strukturgebung andererseits.

Das Ziel des Schwerpunktprogramms ist es daher, im Hinblick auf potenzielle Anwendungen grundlegende Zusammenhänge zwischen Anwendungseigenschaften und Struktur von Hydrogelen zu erforschen und neue Strategien zu ihrer Synthese und Strukturierung zu erarbeiten.

Das Schwerpunktprogramm ist eines von 16, das die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ab Anfang 2006 fördert. Die Programme wurden aus 53 eingereichten Konzepten ausgewählt und werden mit einem Finanzvolumen von rund 48 Millionen Euro für die ersten beiden Jahre gefördert. Die Zahl der insgesamt geförderten Schwerpunktprogramme liegt mit den neuen Bewilligungen bei 98. Schwerpunktprogramme dienen der deutschlandweiten und internationalen Vernetzung von Forschungsaktivitäten in einem umgrenzten Themengebiet. Sie sollen durch die koordinierte, ortsverteilte Förderung wichtiger neuer Fragestellungen spürbare Impulse zur Weiterentwicklung der Forschung geben. Die Laufzeit von Schwerpunktprogrammen beträgt in der Regel sechs Jahre.