Chitosan in weichen Aktoren für künstliche Muskeln

Die Nachahmung von natürlichen Antriebssystemen ist eine große Herausforderung in der Robotik. Ein Ansatz dafür sind Polymerhydrogele die z.B. Chitosan enthalten und mittels Elektrospinning zu Fasern verspinnt werden können.

Chitosan/PVA-Nanofasern als potenzielles Material für die Entwicklung von weichen Aktoren

Olvera Bernal RA, Olekhnovich RO, Uspenskaya MV. Chitosan/PVA Nanofibers as Potential Material for the Development of Soft Actuators. Polymers (Basel). 2023 Apr 25;15(9):2037. doi: 10.3390/polym15092037. PMID: 37177184; PMCID: PMC10181017.

Die Biomimetik befasst sich mit der Erforschung und der Imitation von Methoden, Designs und Prozessen der Natur in technischen Kontexten, wie zum Beispiel der Robotik. Eine der größten Herausforderungen der Robotik ist die Nachahmung von Antriebssystemen die Lebewesen die Fortbewegung ermöglichen. Die dafür genutzten Materialen werden oft als Aktoren oder künstliche Muskeln bezeichnet und dadurch definiert, dass sie ihre Form oder Größe als Reaktion auf physikalische Reize, wie Licht, Feuchtigkeit, pH-Wert oder Elektrizität verändern können. Besonders interessant sind elektroaktive Polymere (EAPs). Sie besitzen für diese Anwendung interessante Eigenschaften wie eine gute Verformbarkeit, Flexibilität, geringe Dichte, Anpassbarkeit und sind oft einfach herzustellen. Je nach Antriebsmechanismus können EAPs in zwei verschiedene Gruppen unterteilt werden. Elektronische EAPs werden angetrieben durch elektrische Felder oder Coulomb-Kräfte. Beispiele sind ferroelektrische Polymere, dielektrische Elastomere und Flüssigkristall-Elastomere. Im Gegensatz dazu werden ionische EAPs, wie z.B. ionische Polymergele, ionische Polymer-Metall-Verbundstoffe oder leitfähige Polymere, über die Veränderung ihrer Form durch die Diffusion von Ionen und ihren konjugierten Substanzen bewegt. Ideale Materialen für weiche Aktoren sind dielektrische Elastomer Aktoren (DEAs) durch ihre hohe Energiedichte, hohe Dehnung und gute elektromechanische Betätigungsleistung. Allerdings besitzen sie Nachteile, wie z.B. hohe Aktivierungsspannungen, die zu dielektrischen Zusammenbrüchen führen können.
Aus dem Grund werden vermehrt Hydrogelmaterialen auf ihre Eignung als weiche Aktoren untersucht. Durch ihre Eigenschaften auf externe Stimuli wie pH, Licht, Magnet- und elektrische Felder zu reagieren, sind sie vielversprechenden Kandidaten. Biopolymere wie Chitosan, Cellulose oder Gelantine sind dabei besonders interessant. Durch das Vorhandensein von polaren Gruppen, wie der Amino-, Hydroxyl- oder Carboxylgruppe, besitzen sie gute elektromechanische Eigenschaften. Chitosan hat ein Rückgrat aus Amino- und Hydroxylgruppen, dass ihm dadurch gute polykationischen Eigenschaften verleiht.
In der vorgestellten Studie soll Chitosan in verschiedenen Konzentrationen (2,5; 3; 3,5 und 4 wt. %) mit Polyvinylacetat (PVA) (wt.5 %) über Elektrospinning zu einen Chitosan/PVA Nanofaserhydrogel versponnen werden um es als potentielles Material für weiche Aktoren zu nutzen. Verwendet wurde dabei ein Chitosan mit einem Molekulargewicht von 260 kDa. Die Nanofaserproben wurden mit Hilfe von Fourier-Transform-Infrarot-Analysen, thermogravimetrischer Analyse (TGA), Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC), optischer Mikroskopie und Zugversuchen charakterisiert. Anschließend wurde das elektroaktive Verhalten der Nanofaser-Hydrogele wurde unter verschiedenen HCl-pH-Werten (2-6) bei einer konstanten Spannung (10 V) getestet.

ERGEBNISSE

• Chitosan/PVA-Nanofasern mit unterschiedlichem Chitosan-Gehalt wurden erfolgreich mit dem Elektrospinnverfahren hergestellt
• Nanofaser-Aktuatoren zeigten eine schnelle Spitzenverschiebung bei niedriger Spannung und erreichten eine maximale Geschwindigkeit von 1,86 mm/s bei einem pH-Wert von 3 und einer Spannung von 10 V (4 wt. % Chitosan)
• Der elektroaktive Reaktionstest zeigte eine Abhängigkeit zwischen dem Chitosangehalt der Nanofaser und dem pH-Wert mit der Biegegeschwindigkeitsverschiebung
• Entfaltungsergebnisse zeigten, dass der Anteil der freien Amingruppen mit steigendem Chitosangehalt zunahm und 3,6 % bzw. 4,59 % für Nanofasern mit einem Chitosangehalt von 2,5 bzw. 4 wt. % betrug
• Ergebnisse der elektroaktiven Reaktion wurden durch die Bestimmung des Anteils der freien Amingruppen durch Entfaltung der FTIR-Spektren im Bereich von 3000-3700 cm-1 weiter unterstützt

Schlussfolgerungen: In der Studie wurde gezeigt, dass Chitosan/PVA-Nanofasern ein potenzielles Material für die Entwicklung weicher Aktuatoren sind, die Biopolymere als Basismaterial verwenden. Aufgrund der guten Biokomptabilität von Chitosan eröffnen sich dabei auch Möglichkeiten im biomedizinischen Bereich.

Link zum Artikel: https://www.mdpi.com/2073-4360/15/9/2037

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