Kirigami-Gele könnten Gewebe formen – vorerst im Labor

Ein Blatt Papier falten, ein paar Schlitze schneiden, wieder auseinanderfalten – und heraus kommt eine Schneeflocke. Das ist Kirigami, und Ingenieure haben die Technik bereits für entfaltbare Strukturen für Raumfahrzeuge und für Halbleiter übernommen. Am College of Engineering der University of Illinois Chicago hat ein Team nun dieselbe Logik auf weiche Gele angewendet, die lebende Zellen aufnehmen können, um Formen zu erzeugen, die menschliche Gewebestrukturen nachahmen.

Kirigami-Techniken verleihen flachen, steifen Materialien neue Dehnbarkeit und Flexibilität und können ein Material umformen, ohne seine Zusammensetzung zu verändern. Ihr Potenzial wurde bereits bei tragbarer Technik und in der Optik erforscht, doch, wie Gasvoda es formulierte, kaum in der Gewebezüchtung oder bei weichen, gelartigen Materialien, die Zellen tragen. Das Team erklärt, herkömmliche Verfahren hätten Mühe, „einige dieser Strukturen nachzubilden, insbesondere solche mit komplexen Krümmungen und anderen feinen Details“.

Der Mechanismus beruht auf zwei Ideen. Die erste ist das Hydrogel selbst, ein wasserreiches Gel aus Gelatine und Alginat, einem natürlichen Polymer aus Meeresalgen. Die zweite ist die Photolithografie, ein Verfahren, bei dem gemustertes Licht Bereiche mit unterschiedlich dichten Vernetzungen erzeugt, also Bereiche, in denen die Polymerketten mehr oder weniger fest miteinander verbunden sind. Die Forscher entwarfen einen starren äußeren Rahmen, der im Kulturmedium seine Form behält, während die inneren Bereiche das Medium aufnehmen und sich ausdehnen. Dieser Unterschied lässt das Konstrukt im Laufe der Zeit sich biegen, falten und verwandeln, was die Arbeit als „4D“ bezeichnet: eine dreidimensionale Struktur, deren Form sich mit der Zeit verändert. Die Konstrukte nehmen ihre endgültige Form ohne weiteres Zutun der Forscher an.

Das Ergebnis ist noch eine Labordemonstration. Das Team hat gezeigt, dass die Plattform komplexe Geometrien zusammen mit neuer Gewebebildung erzeugen kann, sie wurde aber noch nicht an Tieren getestet, und die Autoren nennen für diesen Schritt kein Datum. Ihr langfristiges Ziel ist die klinische Umsetzung, was eine weitere Stufe darstellen würde.

Für Patienten ändert sich vorerst nichts. Für Gewebezüchter bietet der Ansatz eine neue Möglichkeit, die Form eines Konstrukts zu programmieren, statt es von Hand zu formen. Sollten die Tierstudien folgen, sind die genannten Ziele des Teams Knorpel, Knochen sowie Luftröhren- und Gefäßgewebe, also genau jene Strukturen, deren komplexe dreidimensionale Formen bisher am schwersten nachzubilden waren.