Benutzerdefinierte multifunktionale bioinspirierte Kompositmaterialien (CheMBIC)

• Antragsteller: Professor Dr. Yixin Zhang
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553712390

Die Fähigkeit, 3D-Strukturen über größere Längenskalen (Nano/Mikro bis Millimeter und größer) herzustellen, ist wichtig für die Entwicklung von Materialien und Systemen für elektronische, photonische, mechanische und biomedizinische Anwendungen. Der 3D-Druck wird in zunehmendem Maße für die Herstellung solcher Multikomponenten- und Multimaterialstrukturen für den Endgebrauch eingesetzt. Die additive Herstellung von biobasierten Werkstoffen steht jedoch noch vor ungelösten Herausforderungen. Der Einsatz des 3D-Drucks zur Herstellung tragender Konstruktionen, die gleichzeitig Anforderungen erfüllen (die für Komponenten wie z. B. Implantate für das Hartgewebe-Engineering wünschenswert sind), wie z. B. Biokompatibilität, hohe Steifigkeit und gitterartige Strukturen mit hoher struktureller Auflösung, war bisher schwierig. Interessanterweise bildet das natürliche (acetylierte) Analogon von Chitosan - Chitin - in der Natur bemerkenswert robuste und harte Materialien. Diese auf Chitin basierenden Strukturen sind groß (mm bis cm Längenskala), haben komplizierte Formen und sind bemerkenswert stark, steif und bruchfest. Diese Verbundwerkstoffe erreichen höhere mechanische Eigenschaften durch zwei unterschiedliche Strategien: Einarbeitung von Mineralien und Vernetzung mit Metallionen. Die Anwendung dieser biomimetischen Strategien, einzeln oder in Kombination, könnte dazu beitragen, die strukturellen und funktionellen Herausforderungen bei der Herstellung individuell geformter 3D-Geometrien unter Verwendung von Chitosan durch 3D-Druck zu überwinden. CheMBIC zielt darauf ab, aus dem Biopolymer Chitosan robuste, mikrostrukturell entwickelte und funktionell geformte Materialien herzustellen, um deren Anwendung in tragenden Komponenten zu ermöglichen, die traditionell aus nicht erneuerbaren Bestandteilen (hauptsächlich synthetischen Polymeren) entwickelt werden. Ziel ist es, die strukturellen (unzureichende Steifigkeit, die sich auf die Druckbarkeit zu freistehenden Konstruktionen auswirkt) und funktionellen (Schrumpfung und Verformung beim Trocknen) Herausforderungen zu überwinden, die sich bei der Verwendung des Biopolymers Chitosan zur Herstellung funktionell geformter Bauteile stellen. Zu diesem Zweck wird ein multidisziplinärer Ansatz verfolgt, der biomimetische hierarchische Organisation, Vernetzungs- und/oder Mineralisierungsstrategien kombiniert. Durch die Kombination von biomimetischer Metall-Ionen-Vernetzung und Mineralisierung mit 3D-Druck und Biopolymer-Verarbeitung will CheMBIC Freiform-Strukturen auf Chitosan-Basis mit bisher unerreichter (Freiform-)Form und feiner Substruktur (z. B. Gitterarchitektur) mit adäquaten hydratationsunempfindlichen mechanischen Eigenschaften herstellen, die für tragende Anwendungen von biomedizinischen bis hin zu industriellen und häuslichen Komponenten unerlässlich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien
• Kooperationspartner: Hemant Raut, Ph.D.