Für die Wundpflege oder das Anbringen von tragbarer Elektronik auf der Haut werden heutzutage oft Hydrogelpflaster verwendet. Allerdings haften diese Pflaster nicht besonders stark auf der Haut, insbesondere nicht auf nasser.
Hydrogel-Pflaster: Bis zu 100 Mal stärkerer Halt mit Ultraschall
Kanadische Forscher um Jianyu Li von der McGill-Universität haben aber entdeckt, dass mit Ultraschall solche Pflaster sehr stark und lang haltend auf der Haut aufgeklebt werden können. Zudem lässt sich mittels unterschiedlicher Ultraschallintensität präzise einstellen, wie stark die Hydrogelpflaster kleben. Der Effekt ist erheblich: Bei Tests auf Schweinehaut hafteten mit Ultraschall aufgeklebte Pflaster bis zu 100mal stärker als ohne Ultraschallbehandlung. Auch auf der Haut von lebenden Ratten war eine zehnmal stärkere Haftung zu beobachten.
Living Materials und Hydrogele – verblüffend einfache Lösungen
Outi Supponen, Professorin für Mehrphasen-Fluiddynamik der ETH Zürich und ihre Postdoktorandin Claire Bourquard haben die Ursachen dieser starken Haftung untersucht. Die Ergebnisse der beiden Forschungsgruppen wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Kavitationsbläschen unter dem Hydrogel-Pflaster: erwünschter Effekt
Der Grund für die starke Anhaftung der Gelpflaster ist: Ultraschall erzeugt im Klebstoff auf der Unterseite des Hydrogels spezielle Bläschen, so genannte Kavitationsbläschen. Je höher die Ultraschallintensität ist, desto mehr und desto größere Bläschen entstehen. Diese fallen jedoch sogleich wieder in sich zusammen. Dabei verformen sich die Bläschen innerhalb von Millisekunden zu jeweils einem Mini-Strahl, der in Richtung Hautoberfläche zeigt und wie ein Presslufthammer molekulare Bestandteile des Klebstoffs in die Oberhaut rammt. So wird das Pflaster stark verankert. „Das Prinzip dieser starken Haftung ist Kavitation, also ein rein mechanischer Vorgang“, sagt Supponen.
Unter Kavitation verstehen Wissenschaftler:innen die Bildung und den Kollaps von dampfgefüllten Blasen in Flüssigkeiten. Wenn die Blasen implodieren, werden grosse Mengen Energie freigesetzt. Kavitation tritt zum Beispiel an Gegenständen auf, die sich sehr schnell in Flüssigkeiten bewegen, wie etwa Schiffspropeller oder Turbinen von Wasserkraftwerken. Die beim Kollaps der Bläschen freigesetzte Energie kann diese Gegenstände stark beschädigen. Das Auftreten von Kavitation in solchen Anwendungen gilt es deshalb tunlichst zu vermeiden.
Hydrogel-Pflaster besser befestigen lernen
„Lernen wir die Kavitationsenergie kontrolliert einzusetzen, können wir diese nutzen“, sagt Supponen. Hydrogel-Pflaster mit Ultraschall festzukleben, sei harmlos, wie die Versuche mit den Ratten gezeigt hätten. „Die durch die Schallwellen ausgelöste Kavitation im Klebstoff hat den Tieren keine Hautschäden zugefügt.“ Angewendet werden könnte die Ultraschall-Klebetechnik unter anderem bei Pflastern, die Wirkstoffe wie Impfstoffe, Krebsmedikamente oder Insulin über die Haut abgeben.
Ma Z, Bourquard C, Gao Q, et al. Controlled tough bioadhesion mediated by ultrasound, Science, 2022. Science, 11 Aug 2022, Vol 377, Issue 6607, pp. 751–755, DOI: https://doi.org/10.1126/science.abn8699
