Der Mensch – ein Hydrogel-System
Der Mensch ist ein sehr intelligent angeordnetes Hydrogel-System: Gehirn, Muskeln, Sehnen sind weiche Materialien, die mit harten Materialien wie Knochen so verbunden sind, dass sie insgesamt ein weiches, intelligentes System bilden. Solche Systeme dienen Priv.-Doz. Dr. Martin Kaltenbrunner und seinem Team als Vorbild für die Entwicklung einer neuen Generation von weichen, anpassungsfähigen und intelligenten Systemen.
Projektdetails
Career Accelerator Projekt
Projektleitung
Martin Kaltenbrunner
Call
1/2016
„Am Beispiel des Menschen sehen wir, dass wir in einem hochfunktionalen System sowohl harte als auch weiche Materialien brauchen“, sagt Kaltenbrunner. „Die Frage ist: Wie bringen wir sie auf intelligente Weise so zusammen, dass sie insgesamt ein weiches, funktionales System ergeben?“
Hydrogele haben den Vorteil, dass sie Flüssigkeitstransport zulassen. Hydrogele mit Elektronik zu verknüpfen – „Bioelektronik“ – ist derzeit in der Wissenschaft noch ein sehr neues Gebiet. Es ist aber gerade in Hinblick auf biomedizinische Anwendungen sehr vielversprechend, da sich damit zB neue Lösungen finden lassen, wie Medikamente – etwa ein Lokalanästhetikum - an ihren Bestimmungsort transportiert werden können. Oder Schweiß auf der Haut analysiert werden kann um daraus zum Beispiel auf Laktat-und Zuckerwerte zu schließen.
Weitere Möglichkeiten wären, Elektronik in mobile health applications einzusetzen, zB in einer Art smarten Tattoos.
Weltweit sind im Moment bereits einige sehr große Gruppen im Bereich Bioelektronik aktiv, am MIT, an der ETH Zürich und in Cambridge. „Wir waren an unserem Institut aber schon bisher oft die Ersten, die eine Initiative gesetzt haben, die dann von anderen aufgegriffen und weiterentwickelt wurde“, sagt Kaltenbrunner.
Eine erste Publikation ist aus dem Projekt bereits entstanden. In ihr wird die Verbindung von Hydrogels mit anderen Materialien untersucht.
Priv.-Doz. Dr. Martin Kaltenbrunner hatte ursprünglich keine Forscherkarriere geplant, „die Grundlagenvorlesung bei Prof. Bauer war eigentlich der Grund, warum ich in der Physik geblieben bin. Dass ich schließlich als Forscher an seiner Abteilung für Physik der weichen Materie gelandet bin, war ein ausgesprochener Glücksgriff für mich.“
Bereits im zweiten Jahr seines Bachelor-Studiums hat Kaltenbrunner an einem Cover Artikel in Applied Physics Letters mitgewirkt, in dem eine neue Form hoch flexibler, druckempfindlicher elektronischer Haut vorgestellt wurde. Kaltenbrunner zeigte Anwendungen mit einem Berührungssensor, einem Schalter, der durch Druck zu aktivieren ist, und einem Mikrofon, dünn wie ein Blatt Papier. Diese erste Arbeit zu druckempfindlichen Sensorfolien wird in der Scientific Community als Meilenstein in der Entwicklung von elektronischer Haut, die auf Stimuli reagiert, gesehen.
Weitere bahnbrechende Entwicklungen folgten, so etwa organische Solarzellen, die auf Kondensatorfolien aufgebracht sind und nur ein Hundertstel der Dicke eines Blattes Papier haben. Zudem sind sie extrem leicht und flexibel und mechanisch dehnbar. Kaltenbrunner entwickelte auch die erste dehnbare Batterie und ultradünne Temperatursensoren aus nicht wahrnehmbaren Plastikfolien.
Gemeinsam mit Professor Takao Someya an der University of Tokyo wurde eine elektronische Sensor-Haut entwickelt, die in ultradünnen, leichten, großflächigen Sensorfeldern und Displays eingesetzt werden kann.
Eine ultraflexible Form solcher photonischer Sensor-Haut kann in mobilen Gesundheitsapplikationen angewendet werden. In Zusammenarbeit mit Professor Zhigang Suo an der Harvard University wurden weiters Methoden zur Gewinnung erneuerbarer Energien aus Wellen und anderen mechanischen Bewegungen mittels dünner Elastomer-Membranen entwickelt.
Viele Forschungsergebnisse Kaltenbrunners wurden in Top-Journalen wie Advanced Materials, Nature Communications und Science Advances veröffentlicht.
Nach seinem PostDoc-Aufenthalt an der University of Tokyo gründete er an der JKU die Soft Electronics Laboratory-Gruppe an der von Bauer geleiteten Abteilung für Physik weicher Materie.
Kaltenbrunner ist Mitglied im Editorial Board des Nature Journals NPG flexible electronics, Mitglied im Advisory Board einer Winter School für Bioelektronik und leitet die Organisation der MRS-Meetings für weiche Elektronik.
Johannes Kepler Universität Linz
Altenberger Straße 69
4040 Linz, Österreich
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