Elastische Kunststoffe, die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln, haben zahlreiche Einsatzmöglichkeiten: Sie reichen vom Antrieb von Scheibenwischern über Schallerzeugung bis hin zu Linsensystemen für Kameras. Der Kunststoff wird mit zwei Elektroden versehen, die ein elektrisches Feld erzeugen – stehen sie unter Spannung, dehnt sich das Material aus. In der Medizin ist es für die Entwicklung künstlicher Muskeln zur Inkontinenzbehandlung vorgesehen, wie das Konsortium jüngst beschrieben hat.

Um effektiv zu funktionieren, benötigen mikrometerdicke Siliconlagen eine Spannung von mehreren hundert Volt; für künstliche Muskeln im menschlichen Körper ist das deutlich zu hoch. Nanometerdünne Schichten brauchen demgegenüber nur wenige Volt. Da die resultierende Kraft für diese Dünnfilme klein ist, muss man tausende Lagen übereinanderschichten, um eine genügend große Kraft zu erzeugen.

Beschichtung per Elektrospray
Mit den herkömmlichen Herstellungsmethoden lassen sich solche Sandwichstrukturen nicht fertigen. Das Team um Prof. Müller vom Biomaterials Science Center der Universität Basel hat nun gemeinsam mit der Empa ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Siliconschichten anzufertigen, die deutlich dünner als ein Mikrometer und extrem flach sind. Die Rauheit ist kleiner als ein Nanometer. Dazu zerstäuben sie die Siliconmoleküle in Lösung mithilfe einer Hochspannung, der sogenannten Elektrospray-Technologie.

Normalerweise funktioniert der Elektrospray mit Gleichstrom. Für die Entwicklung künstlicher Muskeln experimentieren die Basler Wissenschaftler mit einer Wechselstrom-Methode. „Diese vergleichsweise simple und im Industrieumfeld geeignete Methode hat riesiges Potenzial für die Herstellung künstlicher Muskeln, wie man sie auch beispielsweise für den Antrieb von Scheibenwischern einsetzen könnte“, so Bert Müller. Er hofft, die Technologie bald für ein Implantat zur Behandlung von Inkontinenz verwenden zu können.

Originalbeiträge:
Florian M. Weiss, Tino Töpper, Bekim Osmani, Sven Peters, Gabor Kovacs, and Bert Müller: Electrospraying Nanometer-Thin Elastomer Films for Low-Voltage Dielectric Actuators. Advanced Electronic Materials (2016), 1500476, DOI: 10.1002/aelm.201500476.

Florian M. Weiss, Tino Töpper, Bekim Osmani, Hans Deyhle, Gabor Kovacs, and Bert Müller: Thin Film Formation and Morphology of Electro-sprayed Polydimethylsiloxane. Langmuir (2016), DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b00476.

Elisa Fattorini, Tobia Brusa, Christian, Gingert, Simone E. Hieber, Vanessa Leung, Bekim Osmani, Marco D. Dominietto, Philippe Büchler, Franc Hetzer, and Bert Müller: Artificial Muscle Devices: Innovations and Prospects for Fecal Incontinence Treatment. Annals of Biomedical Engineering (2016), DOI: 10.1007/s10439-016-1572-z.

Weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Bert Müller
Universität Basel, Biomaterials Science Center
E-Mail: [email protected]