Hydrogele sind dreidimensionale poröse Strukturen, die große Mengen Wasser absorbieren können. Sie können aus Polymeren, Proteinen, Peptiden, Kolloiden, Tensiden oder Lipiden zusammengesetzt sein.¹ Die Fähigkeit von Hydrogelen, große Mengen Wasser aufzunehmen, ist bei vielen biologischen Applikationen nützlich, einschließlich Arzneimittelabgabe (Drug Delivery) und Gewebezüchtung. Da sich die Eigenschaften von Hydrogelen während der Wasseraufnahme ändern, müssen Wissenschaftler deren Verhalten bei verschiedenen Sättigungsmengen und unter verschiedenen Bedingungen genau charakterisieren.  

Ein Beispiel für ein natürlich vorkommendes Hydrogel ist Kollagen, das wichtigste Strukturprotein im menschlichen Körper. Kollagen ist aufgrund seiner faserförmigen Eigenschaft ein ideales Material für Gewebestrukturen – seine Moleküle sind in langen Fibrillen fest zusammengepackt und können, je nach der exakten strukturellen Anordnung, Fibrillen mit einer Zugfestigkeit produzieren, die ähnlich der von Stahl ist, aber eine gewisse Flexibilität besitzten  

Die beeindruckenden strukturellen Eigenschaften und die Biokompatibilität von Kollagen führen zu der weiten Verbreitung des Materials, insbesondere als Gerüst bei der Gewebezüchtung.² Da Kollagen ein natürlich vorkommendes Material ist, variieren die Eigenschaften von Probe zu Probe. Daher kann es herausfordernd sein, kollagenbasierte Produkte mit reproduzierbaren Eigenschaften herzustellen. Die inhärente Variabilität von natürlichen Ausgangsmaterialien stellt jedoch keine unüberwindbare Herausforderung dar – sie erfordert lediglich ein korrektes Testen der Materialeigenschaften zur Vorhersage des Materialverhaltens bei der finalen Applikation.  

In diesem Blog wird Kollagen als Hauptbeispiel für ein zu charakterisierendes Hydrogel verwendet. Dieselben Techniken können jedoch auf jedes beliebige Hydrogel eines beliebigen Ausgangsmaterials angewendet werden.  

Rheologie – die Messung des Fließ- und Verformungsverhaltens von Flüssigkeiten und Festkörpern – ist eine ideale Methode zur Untersuchung von Hydrogelen wie Kollagen. Hydrogele sind inhärent viskoelastisch, das heißt sie zeigen sowohl visköses als auch elastisches Verhalten. Mit Hilfe der dynamischen (oszillatorischen) Rheologie werden diese komplexen Materialien charakterisiert und quantitative Messungen der Viskoelastizität ermöglicht:

• Speichermodul: Menge der Energie, die für die Verformung der Probe aufgewendet werden muss
• Verlustmodul: Energie, die bei der Rückkehr des Materials in seine ursprüngliche Form nach der Verformung verlorengeht
• Tan Delta: Verhältnis des Speichermoduls zum Verlustmodul und Messung der Dämpfungsfähigkeiten des Hydrogels

Diese viskoelastischen Messungen spielen eine entscheidende Rolle bei dem Versuch, Unterschiede in Vernetzungsgrad, Glasübergang, Heterogenität und Molekulargewicht zwischen den verschiendenen Hydrogelproben sowie die Art und Weise zu verstehen, wie dies das Endergebnis beeinflusst.¹ Rheometer messen die Viskoelastizität auf einfache Weise und stellen ein optimales Instrument für die Optimierung dieser Eigenschaften dar.

Eine andere wichtige Messung, die für Hydrogele entscheidend ist, ist die Bestimmung der Fließgrenze. Viele Hydrogele sind injizierbare Materialien; daher ist die Fließgrenze sehr wichtig, da sie bestimmt, wie das Hydrogel im Injektionspunkt gehalten wird. Das Scherverhalten bestimmt ebenfalls, wie leicht die Hydrogellösung injiziert werden kann.

Weil unterschiedliche Ausgangsmaterialien von Kollagen sehr unterschiedliche physikalische und thermische Eigenschaften haben können, muss Kollagen von Wissenschaftlern sehr sorgfältig unter realistischen Applikationsbedingungen beschrieben werden, damit die besten Materialien für spezifische Anwendungen ausgewählt werden können.³ Die schnellen Screening-Fähigkeiten der Rheologie-Geräte führen zu einer sowohl effizienten als auch kostengünstigen industriellen Kollagenverarbeitung.