Synthese und Applikation von magnetisch verformbaren Hydrogelkompositen

Abstract

Als „intelligent“ bezeichnete Materialien sind in der Lage, mit steuerbaren Form- oder Eigenschaftsänderungen auf Zielreize zu reagieren, ohne dafür einen zusätzlichen Sensor zu benötigen. Man bezeichnet sie daher auch als Sensor-Aktor-Systeme. Da sie ohne äußere Sensorsysteme auskommen, können diese Werkstoffe als kleine, einfach anwendbare und preisgünstige Bauteile für eine Vielzahl von Applikationen dienen. Ihre Entwicklung gestattet sowohl die fortschreitende Miniaturisierung tech-nischer Anlagen als auch die Entwicklung von anwendungsfreundlichen Konsum-produkten und neuartiger Formulierungen für Medikamente.
 Neben intelligenten Flüssigkeiten und Metallkompositen stellen intelligente Hydroge-le die größte Gruppe der bisher entwickelten Sensor-Aktor-Systeme dar. Der kleine Anteil an Feststoffen (Gelator und Additive) in den Hydrogelen bestimmt überwie-gend die gesamten mechanischen Eigenschaften, während Wasser als leicht ver-fügbares und kostengünstiges Lösungsmittel den größten Volumen- und Gewichts-anteil einnimmt. Kleine Änderungen oder Reaktionen des Feststoffanteils bewirken eine Änderung der Eigenschaften des gesamten Gelvolumens. Weiterhin weisen Hydrogele eine große Deformierbarkeit bei gleichzeitig einstellbarer Viskosität auf. Intelligente Hydrogele reagieren meist auf eine Änderung des pH-Wertes oder der Temperatur des sie umgebenden Mediums durch eine Formänderung.
 Da Änderungen des pH-Wertes oder der Temperatur auch eine Zustandsänderung des umgebenden Mediums bewirken und häufig – besonders in biologischen Syste-men –nicht frei zu kontrollieren sind, wurden in dieser Arbeit intelligente Hydrogele hergestellt und charakterisiert, deren Form durch ein äußeres Magnetfeld verändert werden kann. Durch die Verwendung eines magnetischen Feldes wird ein äußerer Reiz verwendet, der in der Regel keine Auswirkungen auf das umgebende Medium hat. Da zu solchen Gelen bisher nur Arbeiten mit einem Schwerpunkt in der Theorie der Deformierung existierten, umfasst die Arbeit sowohl die systematische Evaluati-on eines für die angestrebten Eigenschaften geeigneten Hydrogels und des daraus resultierenden magnetischen Kompositmaterials als auch die Optimierung der Syn-these hinsichtlich einer maximalen reversiblen Deformation und schließlich den Nachweis der Anwendbarkeit des Kompositmaterials als Ventilsystem in einem mik-rofluidischen Kanalsystem.
 
 Das erste Ziel der Arbeit war es, verschiedene Gelatoren hinsichtlich ihrer Eignung für magnetische Gelsysteme zu evaluieren. Um dabei die Fülle der möglichen Gelatoren abzudecken, wurden die Testgelsysteme so gewählt, dass sie Aussagen über ganze Gelatorklassen erlauben. Die angestrebten Eigenschaften eines idealen magnetisch deformierbaren Hydrogels wurden dabei wie folgt definiert (in der Rei-henfolge ihrer Priorität):
 - hohe reversible Deformierung in einem externen inhomogenen Magnetfeld
 - chemische und mechanische Stabilität
 - kostengünstige Herstellung
 - Biokompatibilität
 - skalierbar in Mikro- bis Millimetermaßstab
 Als Testgelsysteme wurden bekannte und kostengünstige Gelatoren verschiedener Vernetzungsarten ausgewählt: Gelatine repräsentativ für die Vernetzung des Gelators mittels Wasserstoffbrückenbindungen, Alginat für die Vernetzung mittels Metallkoordination und Poly-Isopropylacrylamid (pNIPAM) für die Vernetzung mittels kovalenter Bindungen. Als magnetisches Kompositmaterial wurden nanoskalige Magnetitkristalle in wässriger stabiler Suspension verwendet. Da mit zunehmendem Gelatoranteil die Festigkeit und die Stabilität der Gele steigt und mit zunehmendem Magnetitanteil Festigkeit und Gesamtmagnetisierung, wurden sämtliche möglichen Gewichtszusammensetzungen, die zu einem stabilen Gel führten, hinsichtlich ihrer Geleigenschaften untersucht und jeweils ein Optimum hinsichtlich der Zielvorgaben bestimmt. Es ergab sich ein Optimum der Deformation bei Gelatine-Magnetit-Gelen (GM-Gelen) der Zusammensetzung 9Gew.% Magnetit und 6Gew.% Gelatine. Ent-sprechende Gele sind in der Lage sich reversibel bis zu 7% ihrer Gesamtgröße zu deformieren. Bei Alginat-Magnetit-Gelen (AM-Gele) zeigte sich ein Optimum der re-versiblen Deformation von 3% der Gesamtgröße bei einer Zusammensetzung von 15Gew.% Magnetit und 0,4Gew.% Alginat. pNIPAM-Magnetit-Gele (NM-Gele) ließen sich nur im Falle sehr niedriger Magnetitanteile in der Form eines Probenkörpers synthetisieren, da Magnetit negative Auswirkungen auf die Gelierungsreaktion zeig-te. Aus diesem Grund besitzen pNIPAM-Magnetit-Gele eine sehr niedrige Magneti-sierbarkeit und sind daher nicht geeignet im Sinne der Vorgaben.
 Das größte Potential hinsichtlich der magnetisch induzierten Deformation zeigten also – repräsentativ für wasserstoffbrückenvernetzte Gele – GM-Gele. Es ergaben sich allerdings auch Schwächen, da die GM-Gele nicht lagerstabil sind und sich mit der Zeit in Wasser auflösen. Diese Schwäche wurde durch die Weiterentwicklung der Gele im zweiten Teil der Promotion reduziert.