Mechanik harter Hydrogele

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mikhail Itskov; Dr. Alexander Southan
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Polymermaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320336785

Das Ziel dieses Projektes ist es, den Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur harter Hydrogele und ihrem mechanischen Verhalten festzustellen. Hierzu, sollen einerseits neue Verfahren zur Synthese harter Hydrogele entwickelt und ihre mechanischen Eigenschaften beschrieben werden. Andererseits soll die Mikrostruktur harter Hydrogele untersucht und das daraus resultierende mechanische Verhalten unter großen Deformationen modelliert werden.In der Biomechanik werden harte Hydrogele als revolutionäre synthetische Werkstoffe betrachtet, die Diffusion von Nährstoffen, Proteinen und Enzymen für lebende Zellen ermöglichen und als Untergrund für Zellregenration in beschädigten Organen dienen. Die Anwendung von Hydrogelen war allerdings auf Grund ihrer weichen mechanischen Eigenschaften über Jahrzehnte hinweg begrenzt. Im Gegensatz zu konventionellen Hydrogelen können sogenannte harte Hydrogele ihren hohen Wassergehalt unter Belastung behalten und weisen wesentlich (bis zu zehn Mal) höhere Steifigkeit und Festigkeit auf. Die exzellenten mechanischen Eigenschaften machen harte Hydrogele zur besten Wahl als Implantate für beschädigte lasttragende Organe wie beispielsweise Bänder, Knorpel oder Muskeln. Wegen des komplexen mechanischen Verhaltens harter Hydrogele bleibt allerdings die Design-Prozedur von Implantaten eine Herausforderung.Ähnlich zu gummiartigen Werkstoffen lassen harte Hydrogele große Deformationen zu und weisen auch ausgeprägte nicht-elastische Effekte auf, wie beispielsweise Spannungserweichung, Fließen und Selbstheilung. Im Gummi treten diese Effekte allerdings hauptsächlich wegen des Einflusses von Füllpartikeln und ihrer Zusammenwirkung mit der Polymermatrix auf. In Hydrogelen muss es aber eine andere mikrostrukturelle Quelle dieser nicht-elastischen Phänomene geben, da keine Füllpartikel vorhanden sind. Die konstitutive Modellierung harter Hydrogele stellt aus diesem Grund eine höchst interessante und zugleich herausfordernde Aufgabe im Bereich weicher Materialien dar und erfordert eine interdisziplinäre Untersuchung zwischen Polymerwissenschaft und Mechanik der Gele.In diesem Projekt soll ein Multi-Skalen-Modell für harte Hydrogele auf der Basis der Mikromechanik ihrer interpenetrierenden Polymernetzwerke entwickelt werden. Diese Netzwerke sind aus verschiedenen polymeren Schichten aufgebaut und auf verschiedenen Ebenen vernetzt. Sowohl theoretische als auch numerische Ergebnisse der Modellierung werden anhand experimenteller Daten aus quasistatischen zyklischen Druck- und Zugtests validiert. Zur Synthese solcher Hydrogele sollen neue Vernetzungsverfahren ausprobiert werden. Dies wird ermöglichen, den Einfluss der Netzwerkstruktur auf die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Zusätzlich wird die Selbstheilung auf der Basis der dehnungsinduzierten kovalenten Bindungsspaltung von Mechanophoren eingeführt und untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark, Israel
• Kooperationspartner: Professor Dr. Aleksey Drozdov, Ph.D.; Professor Dr. Mahmood Jabareen; Professor Dr. Günter Tovar