Chemo-mechanisches Selbst-Verschluss-Prinzipien in polymeren künstlichen Zellen als Designprinzip für Oszillationen, Kommunikation und autonome weiche Robotik

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Walther
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572833231

Dieses Projekt zielt darauf ab, chemo-mechanische Selbstregulation als Designprinzip für die nächste Generation synthetischer weicher Materie zu etablieren – mit besonderem Fokus auf oszillatorisches Verhalten, Kommunikation zwischen künstlichen Zellen (ACs) und autonome weiche Aktuatorik. Das zentrale Konzept basiert auf polymerbasierten ACs mit selbstregelnden Membranen, die nichtlinear auf interne chemische Rückkopplung reagieren und dadurch homöostatische Kontrolle, Oszillationen und autonomes Verhalten ohne externe Eingriffe ermöglichen. Die zentrale Innovation liegt in der gezielten Ausnutzung von Membranhysterese in pH-responsiven ACs, die pH-modulierende Enzyme enthalten. Durch die Feinabstimmung der Zusammensetzung schwacher Polyelektrolythüllen mit hydrophoben Seitenketten werden kinetische Verzögerungen und nichtlineare Schaltverhalten erzeugt. Diese ermöglichen autonome Rückkopplungsschleifen, die den Substrateinlass steuern und den internen pH-Wert selbstlimitierend regulieren. In WP1 untersuchen wir systematisch, wie Membranhysterese die dynamische Regulation in ACs beeinflusst. Dafür charakterisieren wir Quellungs-/Kollapskinetik, Permeabilitätsprofile und Schalt-pH-Werte mithilfe von Modellenzymen wie Urease und Glukoseoxidase sowie mit enzymatischen Kaskaden für zeitverzögerte Rückkopplung. In WP2 nutzen wir diese hysteretischen ACs zur Erzeugung dauerhafter chemischer Oszillationen. Zwei Ansätze werden verfolgt: (1) Verkapselung kleiner ACs in größeren Wirts-ACs zur Einführung hierarchisch verzögerter Rückkopplung, und (2) räumliche Kopplung über diffusive Umgebungen zur Synchronisation von Oszillationen in AC-Konsortien. Wir analysieren die Oszillationsdynamik mikroskopisch und entwickeln kontrollierte Musterungsstrategien (z. B. µCOP, mikrofluidische Fallen), um Synchronisation und Fernkommunikation in zweidimensionalen AC-Landschaften zu untersuchen. WP3 überführt chemische Oszillatoren in funktionale weiche Robotik. Hierbei werden kommunizierende ACs als „intelligente Agenten“ in pH-responsive Hydrogelmatrizen eingebettet, um Aktuatoren mit autonomer Verformung zu erzeugen. Ziel ist es, rhythmische Deformationen zu etablieren, chemomechanisches Verhalten zu synchronisieren und schließlich gelbasierte Lokomotion ohne externe Gradienten oder strukturierte Oberflächen zu realisieren. Dabei soll gerichtete Bewegung durch zeitlich asymmetrische Aktuationszyklen entstehen, die allein durch interne chemische Rückkopplung angetrieben werden. Insgesamt stellt dieses Projekt ein neues Paradigma autonomen Materialverhaltens vor, indem interne Reaktionsnetzwerke eng mit mechanischer Reaktion über selbstregelnde Membranen gekoppelt werden. Unser Ansatz geht über klassisch extern getriggerte Systeme hinaus und schafft wirklich selbstregulierende synthetische Materie. Die Erkenntnisse werden weitreichende Impulse für die Systemchemie, künstliche Zellen, adaptive weiche Materie und die nächste Generation weicher Robotik liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen