Kapseln bezeichnen in den Materialwissenschaften diskrete, meist sphärische Strukturen, bei denen ein Wirkstoff, Reaktionspartner oder empfindliches Material (Kern) durch eine definierte Hülle (Shell) umschlossen ist. Je nach Größe wird zwischen Makrokapseln und Mikrokapseln unterschieden; letztere liegen typischerweise im Mikro- bis Submillimeterbereich.

Die Hülle kann aus Polymeren, anorganischen Oxiden, Metallen oder biobasierten Systemen bestehen. In der bioinspirierten Werkstoffentwicklung werden insbesondere proteinbasierte Kapseln (z.B. aus Gelatine, Sojaprotein) sowie Alginat-Gelatin-Mikrokapseln eingesetzt. Alginat bildet in Gegenwart zweiwertiger Kationen ionotrop vernetzte Gele, während Gelatine die mechanischen und diffusionsbezogenen Eigenschaften der Hülle moduliert.

Funktional erfüllen Kapseln mehrere Aufgaben: (i) Schutz empfindlicher Wirkstoffe vor Feuchte, Sauerstoff oder pH-Extremen, (ii) zeitlich oder räumlich kontrollierte Freisetzung durch Diffusion, Degradation oder mechanische Ruptur, (iii) Trennung inkompatibler Reaktionspartner bis zum definierten Auslöseereignis. In strukturellen Werkstoffen werden Kapseln beispielsweise für selbstheilende Harzsysteme genutzt, in denen monomere Reagenzien in Mikrokapseln eingebettet und bei Rissbildung freigesetzt werden.

Wesentliche Gestaltungsparameter sind Kapselgröße, Hüllendicke, Permeabilität, chemische Stabilität und mechanische Festigkeit. Herstellungsverfahren umfassen u.a. Emulsions- und Koazervationsprozesse, Sprühtrocknung sowie Tropfen- oder Mikrofluidik-basierte Verfahren. Die präzise Kontrolle dieser Parameter ist entscheidend, um definierte Freisetzungsprofile, Langzeitstabilität und Kompatibilität mit der jeweiligen Matrix (z.B. Polymer, Zement, Hydrogel) zu gewährleisten.