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Gammastrahlung verwandelt Biokunststoff in ein „Superstruktur“-Hydrogel
Viele Biokunststoffe sind zwar biologisch erzeugt, aber so spröde und wasserabweisend, dass sie für bestimmte Anwendungen kaum taugen. Ein neues Verfahren mit Gammastrahlung hat aus solchem Kunststoff ein hydrogelartiges Material gemacht, das mehr als das Sechsfache seines Eigengewichts an Wasser aufnimmt und deutlich zäher ist. Seine biologische Abbaubarkeit muss allerdings noch überprüft werden.
Brisbane (Australien). Poly(3-hydroxybutyrat) (PHB) gehört zu den Polyhydroxyalkanoaten, einer Gruppe biologisch erzeugter Kunststoffe, die als Alternative zu erdölbasierten Materialien untersucht werden. Ihre Nutzung ist jedoch durch die Sprödigkeit mancher Varianten begrenzt, und besonders PHB nimmt von sich aus kaum Wasser auf.
Für medizinische Anwendungen wie Wundauflagen oder Träger für Arzneistoffe sind häufig andere Eigenschaften gefragt. Hydrogelartige Materialien können große Wassermengen einlagern, ohne sich dabei vollständig aufzulösen. Die Herausforderung besteht darin, diese Wasseraufnahme mit ausreichender mechanischer Belastbarkeit zu verbinden.
Forscher der University of Queensland (UQ) um Dr. Samuel Lawless haben den Biokunststoff PHB mit N-Hydroxyethylacrylamid (HEAA) chemisch verändert. Mithilfe von Gammastrahlung erzeugten sie reaktive Stellen an den PHB-Ketten, an die sich HEAA anlagern und fest binden konnte. Dieses Verfahren heißt Pfropfpolymerisation.
Im entstandenen Material mit der Bezeichnung P3HB-HEAA bleibt ein teilkristallines PHB-Grundgerüst erhalten. Daran sitzen weniger geordnete, wasserliebende HEAA-Bestandteile, sodass der Kunststoff eine zweigeteilte Struktur mit hydrogelartigen Eigenschaften erhält.
Das Ausgangsmaterial ist im Prinzip biologisch abbaubar, doch seine hohe Kristallinität macht es spröde. Der chemische Umbau soll diese Einschränkung überwinden, ohne die für technische Anwendungen wichtige Formstabilität vollständig aufzugeben.
„Entscheidend ist, dass das Hydrogel aus einem biologisch erzeugten und biologisch abbaubaren Polymer hervorgeht, das zwar vielversprechend, aber zu spröde für eine wirtschaftliche Nutzung ist“, erklärt Cole Walchle von der University of Queensland.
Die Laborproben nahmen innerhalb von drei Stunden bis zu 610 Prozent ihres ursprünglichen Trockengewichts an Wasser auf. Damit kann ein Gramm des veränderten Materials gut sechs Gramm Wasser aufnehmen. Unverändertes PHB zeigte dieses ausgeprägte Quellverhalten nicht.
In den Zugversuchen stieg die Bruchdehnung gegenüber PHB von rund fünf auf 65 Prozent, also ungefähr auf das Dreizehnfache. Auch die Zähigkeit, ein Maß für die bis zum Reißen aufgenommene Energie, erhöhte sich um 378 Prozent. Gleichzeitig sank jedoch die maximale Zugfestigkeit von rund 25 auf sieben Megapascal.
„Wir haben im Grunde etwas geschaffen, das gleichzeitig zäher ist als die Ausgangsmaterialien und besonders gut Wasser aufnimmt“, sagt Cole Walchle.