Hydrogele: Die Gesundheitsversorgung auf seltsame Weise verändern

Am 23. Mai 2023 ist eine Welt, in der eine einfache Injektion einen gebrochenen Knochen heilen kann, einnehmbare Geräte unsere Gesundheit überwachen können und Gehirn- und Herzimplantate nahtlos in das Fleisch einwachsen können, möglicherweise nicht mehr weit entfernt. Seit Jahrzehnten arbeiten Materialwissenschaftler daran, die komplexe Architektur des menschlichen Körpers nachzuahmen, in der Hoffnung, defekte Teile zu ersetzen oder Krankheiten zu behandeln. Allerdings bestehen die meisten Ersatz- und Korrekturteile, von Prothesen bis hin zu Herzschrittmachern, aus harten, trockenen, leblosen Materialien wie Metall oder Kunststoff, während biologisches Gewebe weich, nass und lebendig ist. Der Körper kennt den Unterschied und neigt dazu, Nachahmungen abzulehnen. Hier kommen Hydrogele ins Spiel.

Hydrogele sind mit Wasser gequollene dreidimensionale Netzwerke aus Molekülen. Sie wurden erstmals 1960 von den Entwicklern weicher Kontaktlinsen beschrieben und sind in der Lage, sich von flüssig über fest bis hin zu einem matschigen Zustand dazwischen zu verwandeln. Hydrogele sind wie ein Netzbeutel mit Wasser aus Polymeren oder spaghettiartigen Molekülsträngen, die in einem sich wiederholenden Muster zusammengenäht und mit H2O gequollen sind. Menschliche Knochen bestehen zu etwa 25 % aus Wasser, während die Muskeln zu etwa 70 % und das Gehirn zu 85 % aus Wasser bestehen. Die kostbare Flüssigkeit spielt eine Vielzahl entscheidender Rollen, von der Beförderung von Nährstoffen und Abfallstoffen bis hin zur Unterstützung der Kommunikation der Zellen untereinander. Im Labor hergestellte Hydrogele können mit Ladung beladen werden, darunter Zellen oder Medikamente, die dabei helfen, einige dieser Funktionen nachzuahmen.

Hydrogele sind außerdem weich und biegsam wie Fleisch. Wenn sie in Implantaten verwendet werden, ist es daher möglicherweise weniger wahrscheinlich, dass sie das umliegende Gewebe schädigen. Hydrogele sind in der Regel auch ungiftig, sodass das Immunsystem sie möglicherweise weniger als Fremdkörper angreift. All dies hat Hydrogele zum neuen Liebling der Welt der Biotechnik gemacht.

Hydrogele sind ideal für die Verschmelzung von Mensch und Maschine. Eric Appel, PhD, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Stanford University, vergleicht Hydrogele mit einem Fußballnetz, bei dem all diese langen Fasern miteinander verwoben sind, um das Netz zu bilden. Während die breitere Kategorie der „Gele“ mit allem gefüllt werden kann, einschließlich chemischer Lösungsmittel, ist Wasser der Hauptbestandteil, der Hydrogele auszeichnet.

Hydrogele haben das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Medikamente einnehmen und abgenutzte Gelenke behandeln, zu verändern. Appel tüftelt seit Jahren an Gelformeln in der Hoffnung, dass diese High-Tech-Kugeln eines Tages Medikamente mit zeitlich begrenzter Freisetzung genau an die richtige Stelle im Körper befördern könnten. Seine neuen Hydrogele beginnen als vollständig geformte Gele in einer Spritze. Doch sobald der Kolben gedrückt wird, verändern sie auf magische Weise ihre Form und werden zu einer Flüssigkeit, die dünn genug ist, um problemlos durch eine Standardnadel zu fließen. Beim Austritt formieren sie sich sofort zu Gelen und schützen so die inhärente Ladung vor Zersetzung. Solche langsam freisetzenden Hydrogele könnten die Haltbarkeit von Impfstoffen verlängern und tumorzerstörende Therapien präziser durchführen.

Unterdessen hat ein anderes Team am Massachusetts Institute of Technology einen anderen Ansatz gewählt und eine einnehmbare Hydrogel-Pille in Standardgröße entwickelt, die wie ein Kugelfisch im Magen aufquillt, einen Monat hält und dabei langsam Medikamente freisetzt. Um die Pille zu entfernen, trinkt ein Patient einfach eine Salzlösung, die das tischtennisballgroße Gerät schrumpfen lässt, sodass es aus dem Körper ausgeschieden werden kann. Die Kugelfischpille könnte auch mit winzigen Kameras oder Monitoren ausgestattet sein, um Erkrankungen wie Geschwüre oder Krebs zu verfolgen.

Hydrogele wurden auch als Ersatz für menschlichen Knorpel in Betracht gezogen. Wiley und seine Kollegen bei Duke berichteten kürzlich, dass sie den ersten Knorpelersatz auf Gelbasis entwickelt hatten, der noch stärker und haltbarer als das Original war. Durch die Befestigung ihres Hydrogels an einem Titanträger zur besseren Fixierung hoffen sie, beschädigten Knorpel zu reparieren, „ähnlich wie ein Zahnarzt einen Hohlraum füllt“, lange bevor eine Operation notwendig ist.

An der Universität von Toronto haben die Chemikerin Karina Carneiro, PhD, und der Zahnarzt Christopher McCulloch, DDS, ein Hydrogel aus DNA entwickelt, das injiziert werden kann, zu einem Defekt im Knochen wandert und die Lücke wie Kitt füllt. Aber es stopft nicht nur das Loch, es regt auch die Regeneration des Knochens an.

Die wildesten Einsatzmöglichkeiten von Hydrogelen liegen im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion. Zahlreiche Unternehmen beschäftigen sich bereits mit neuronalen Prothesen oder Gehirn-Computer-Schnittstellen, die es eines Tages jemandem, der gelähmt ist und nicht sprechen kann, ermöglichen könnten, mit seinen Gedanken auf einem Laptop zu schreiben. Das Löffel-im-Wackelpudding-Problem war ein großer Stolperstein. Aber Christina Tringides, PhD, eine Materialwissenschaftlerin, die sich mit Neurotechnik beschäftigt, und ihr Team haben ein auf Algen basierendes Hydrogel entwickelt, das mit winzigen Partikeln aus Nanomaterialien beladen ist, die sich nicht nur gut mit weichem Gehirngewebe verschmelzen lassen, sondern auch Elektrizität leiten. Innerhalb eines Jahrzehnts könnte dies die klobigen Platinmetallscheiben ersetzen, die für die Elektrokortikographie verwendet werden.

In 30 bis 50 Jahren sind die Möglichkeiten endlos. Hydrogele haben das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Medikamente einnehmen und abgenutzte Gelenke behandeln, zu verändern und den Weg für eine scheinbar Science-Fiction-Zukunft zu ebnen, in der Organe, einschließlich des Gehirns, direkt mit Maschinen interagieren können.