Forscher erschaffen Materialien, die wachsen und sich bewegen

Stellen Sie sich ein Material vor, das auf Knopfdruck wächst, sich verformt oder sogar Kräfte ausübt – wie ein Muskel. Genau daran forschen Wissenschaftlerinnen der Universität Heidelberg. Christine Selhuber-Unkel und Eva Blasco arbeiten an sogenannten aktiven Materialien, die an der Grenze zum Leben stehen. Ihre Vision: Werkstoffe, die lebende Zellen enthalten und gemeinsam mit ihnen wachsen, sich bewegen und vielleicht sogar reproduzieren können.

Den aktuellen Stand der Forschung demonstrieren ein Oktopus, ein Gecko und eine Sonnenblume – winzige Kunstwerke aus Hydrogel, einem wasserreichen Kunststoff. Blasco druckte sie 2022 mit einem 3D-Drucker, bestrahlte sie mit einem Laser und gab Chemikalien hinzu. Innerhalb von vier Stunden schwollen die nur wenige Mikrometer kleinen Gebilde auf das Achtfache ihrer Größe an. Das klingt unspektakulär, aber solche Stoffe können Kräfte ausüben und ihre Umgebung beeinflussen.

Der erste Schritt zu lebenden Materialien sind responsive Werkstoffe, die auf einen Reiz wie Licht oder Temperatur ihre Eigenschaften ändern – etwa Farbe, Härte oder Form. Moleküle, die das ermöglichen, nennt man molekulare Schalter. Blasco ist bereits einen Schritt weiter: Ihre adaptiven Materialien können nicht nur zwei Zustände annehmen, sondern viele dazwischen. Je nach Dauer oder Intensität des Reizes reagieren sie unterschiedlich stark. Dieses Verfahren nennen die Forscherinnen 4D-Druck – die vierte Dimension ist die Zeit.

Die zweite Strategie ist, unbelebte und belebte Materie zu verbinden. Mit einem Femtosekunden-Laser, der ultrakurze, energiereiche Lichtpulse aussendet, können die Forscherinnen Strukturen mit einer Auflösung von weniger als einem Mikrometer herstellen – kleiner als menschliche Zellen. So lassen sich künstliche Gerüste schaffen, in denen Zellen wachsen können. Das Ziel: ein Material, das mehr ist als die Summe seiner Teile – ein lebendes Material.

Überraschenderweise hat diese Grundlagenforschung eine Verbindung zur Krebsforschung. Denn mechanische Einflüsse wie Verformung oder Platzmangel beeinflussen das Verhalten von Krebszellen erheblich. Mit den hochauflösend gedruckten Kunststoffen können die Forscherinnen solche Reize gezielt erzeugen und erforschen, wie sie den Krebs beeinflussen. Aktuell arbeitet Selhuber-Unkel mit Minitumoren, um die sie eine künstliche Umgebung aus adaptivem Material baut.

Bis zu echten lebenden Materialien, die wachsen, Kräfte ausüben und sich reproduzieren können, ist es noch ein weiter Weg. Doch die Arbeit in Heidelberg zeigt, wie Materialwissenschaft und Biologie verschmelzen – und vielleicht eines Tages künstliche Muskeln oder nachwachsendes Gewebe ermöglichen.