Verbesserte Wundheilung mit atmungsaktivem Hydrogel

Herkömmliche Hydrogele sind nur begrenzt gaspermeabel. Ein Forschungsteam entwickelte nun ein Hydrogel mit integrierten Luftkanälen, das bei hohem Wasseranteil eine verbesserte Sauerstoffpermeabilität aufweist.

Hydrogele bestehen überwiegend aus Wasser und einem geringen Polymeranteil. Bei der Vernetzung bilden die Polymere ein Gerüst, das das Wasser in Position hält und so ein weiches, dehnbares Gel entstehen lässt. Da Hydrogele jedoch überwiegend aus Wasser bestehen, ist ein effektiver Luftdurchtritt durch das Material schwierig.

„Wasser ist grundsätzlich nicht atmungsaktiv”, erklärt Dr. Xiao-Yun Yan vom Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA. „Hydrogel besteht zu 80 bis 90 Prozent aus Wasser – ähnlich wie Wackelpudding. Und durch Wackelpudding kann man nicht atmen.”

Letztautor Prof. Xuanhe Zhao vom Massachusetts Institute of Technology verfolgte daher das Ziel, ein luftdurchlässiges Hydrogel zu konzipieren, ohne dessen wasserreiche Zusammensetzung zu beeinträchtigen. „Wir wollten viele kleine Kanäle für den Luftdurchtritt schaffen und gleichzeitig einen hohen Wasseranteil im Gel erhalten”, so Zhao. Die Ergebnisse ihrer mehrjährigen Arbeit haben die Forschenden nun in „Nature“ publiziert.

Viskoelastische Phasenseparation mit Silica-Partikeln

Das Team entwickelte eine optimale Rezeptur für ein atmungsaktives Hydrogel, die den Anteil nicht wässriger Bestandteile auf ein Minimum reduziert. Dafür machten sie sich die viskoelastische Phasentrennung zunutze. Das Prinzip funktioniert analog zur Entmischung von Öl und Wasser – Komponenten unterschiedlicher Phasen segregieren spontan. Zhao und sein Team mischten ihrer konventionellen Hydrogelrezeptur eine geringe Menge Silica-Aerogel-Partikel bei. Die Partikel bestehen aus Silica, das hydrophob ist, weshalb Wasser nicht durch sie hindurchdringt.

Die Wassermoleküle akkumulierten durch die viskoelastische Phasentrennung zu großen Wasserdomänen und drängten die Silica-Partikel in schmale, miteinander verbundene Tunnelstrukturen. Nach wenigen Stunden hatte sich ein Netzwerk dünner, Silica-ummantelter Tunnel gebildet, durch die Luft strömen kann. Nach Bestätigung der Netzwerkbildung wurde das Gemisch vernetzt, wodurch das Gel mitsamt seinem atmungsaktiven Kanalnetzwerk dauerhaft fixiert wurde.

Klinische Validierung eröffnet Perspektiven für praktischen Einsatz

In Belastungsversuchen trugen Probanden drahtlose Elektrokardiogramm(EKG)-Monitore, die mit dem neuen Hydrogel am Thorax befestigt waren, und absolvierten 20-minütige Belastungseinheiten. Im Vergleich zu kommerziellen Hydrogel-Klebemitteln, die signifikante Signalfluktuationen zeigten, lieferte das neu entwickelte Hydrogel stabile EKG-Signale. In einer anschließenden 10-Tage-Tragestudie wurden nach Abnahme des Monitors weder Blasen noch Erytheme beobachtet. Das Hydrogel wurde zudem 10.000 Zyklen mechanischer Dehnung und Kompression ausgesetzt. Dabei sank die Sauerstoffpermeabilität um weniger als 5 Prozent.

„Wasser und Sauerstoff sind beide lebensnotwendig”, betont Zhao. „Indem wir Hydrogelen nun Luft hinzugefügt haben, eröffnen sich breite Anwendungsfelder.” Mögliche Applikationen umfassen atmungsaktive Wundverbände und Wundauflagen, kosmetische Gesichtsmasken, Kontaktlinsen mit verbesserter Sauerstoffpermeabilität sowie langzeitstabile Wearable-Health-Monitore und biokompatible Implantate.

Zhao bezeichnet das neue Verfahren als Technologieplattform, die anderen Gruppen als Leitkonzept zur Herstellung atmungsaktiver und multifunktionaler Hydrogele dienen soll. „Wir haben entdeckt, dass dieser Prozess luftdurchlässige Hydrogele erzeugen kann, und demonstrieren eine Anwendung davon. Aber wir sind überzeugt, dass es sehr breite Einsatzmöglichkeiten geben kann.” (ins)