Hydrogel schaltbar von weich nach hart
Um hochbelastbare und ultrafeste Werkstoffe für Spezialanwendungen zu entwickeln, greifen Forscher auf Erfolgspatente aus der Natur zurück. Zellulose aus Bäumen wird so zu stahlhartem Garn, gelatineartige Hydrogele sind die Basis für Knochenersatzmaterial.
Foto: Universität Stuttgart
Bäume gehören zu den größten und schwersten Lebewesen der Welt. Dass die nicht unter der eigenen Last zusammenbrechen, verdanken sie einem vielseitigen Rohstoff der Natur: Zellulose. Pflanzen bilden aus Zellulosemolekülen extrem reißfeste Bündel, die Mikrofibrillen. Diese umspannen die Zellen wie Stahlseile und geben ihnen Form und Stabilität.
Das Konzept aus der Natur steht Pate für ein neues Verfahren zur Produktion ultrafester Garne aus nanometerkurzen Zellulosefasern, das schwedische Forscher an der Königlichen Technischen Hochschule KTH in Stockholm im Fachblatt „Nature Communications“ vorgestellt haben.
Die Garne lassen sich zu hochbelastbaren Materialien wie Kunststoff oder Textilien verarbeiten. Der neue Werkstoff eigne sich für die Herstellung von Rotorblättern von Windkraftanlagen, die neben hohen Windgeschwindigkeiten auch extremen Temperaturschwankungen und Blitzeinschlägen standhalten, sagt Studienleiter Frederik Lundell vom Wallenberg-Holzwissenschaftszentrum an der KTH: „In Relation zum Gewicht sind unsere Fäden stärker als Stahl und Aluminium.“
Dafür nehmen die Forscher etwa 50 nm lange Zellulosefibrillen aus frischem Holz. Diese werden parallel ausgerichtet, indem sie mit Wasser durch einen millimeterdünnen Kanal gespült werden. Über zwei zusätzlich eingespeiste Wasserstrahlen kommt gelöstes Salz (Natriumchlorid) hinzu.
Zellulosefäden in Relation zum Gewicht stärker als Stahl und Aluminium
„Das Salz sorgt dafür, dass die Fibrillen sich aneinanderheften. Es legt die dreidimensionale Struktur des künftigen Fadens fest“, erklärt Stephan Roth, Forscher beim Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Hamburg, wo die Versuche stattfanden. Mit Röntgenlicht haben die Forscher die Vorgänge während der Herstellung untersucht. Die fertigen Zellulosefäden trocknen binnen Minuten an der Luft und sind dann verarbeitungsfertig. Noch sind die extrem reißfesten Zellulosefäden allerdings nicht länger als 10 cm.
„Wir können im Prinzip sehr lange Fäden flechten“, betont Lundell. Als nächstes wollen die schwedischen Forscher untersuchen, ob für die Produktion der reißfesten Zellulosefasern auch Altpapier genutzt werden kann.
Wie Zellulose hält auch Knochen extremen Belastungen stand. Dafür sorgt der netzwerkartige Aufbau in seinem Innern. Ein menschlicher Oberschenkelknochen hält so einer Belastung bis zu 16 000 N stand. Sein Härtegrad gleicht dem von Baustahl.
Künstliche Materialien nach dem Vorbild der Natur zu erzeugen, ist das Ziel einer interdisziplinären Forschergruppe an der Uni Stuttgart. Im Projekthaus Nanobiomater entwickeln Biologen, Chemiker und Materialforscher mit Partnern intelligente Knochenersatz , der die Medizin revolutionieren könnte, da er über „schaltbare“ Funktionen verfügt.
Als ordnende Kraft wirkt das Tabakmosaikvirus, ein für den Menschen ungefährliches Pflanzenvirus. Es weist Zellen und Zellbestandteilen ihren Platz im biomimetischen Material zu, indem es an bestimmte Stellen bindet.
Das dreidimensionale Gerüst bilden gelatineartige Hydrogele. Sie bestehen aus Polymeren, die schwammartig miteinander vernetzt sind und aufquellen, wenn Wasser sich in die Poren einlagert, erläutert Alexander Southan, Nanobiomater-Teamleiter.
Hydrogele sind natürlichem Kollagen ähnlich und werden etwa in Kontaktlinsen verwendet. In den Poren der Matrix kultivieren die Forscher Knochen- und Knorpelzellen. Damit die Zellen sich zu geordneten Gewebestrukturen zusammenschließen, ist die Porengröße nanometergenau anpassbar. Als Instrument wählten Forscher am Stuttgarter Max-Planck-Institut (MPI) für Intelligente Systeme das Tabakmosaikvirus aus. Es besteht aus einer 300 nm langen Röhre aus Proteinen, die sich aus Scheibensegmenten zusammensetzt und den Strang mit der Erbsubstanz in seinem Innern schützt.
Das Virus erübrigt den Einsatz komplizierter Technik. Es bringt von Natur aus die erforderlichen Funktionalitäten mit, welche für die biomolekularen Manipulationen im Nanokosmos nötig sind, erläutert MPI-Forscherin Sabine Eiben: „Wir können genau einstellen, dass das Virus etwa alle 50 nm oder 100 nm eine gewünschte Bindungsstelle hat.“
Eine gleichmäßige, optimale Porengröße ist Voraussetzung für eine reguläre räumliche Anordnung der biomineralisierenden Proteine. Knochenzellen geben die von ihnen gebildeten Mineralkristalle nach festgelegten Mustern in das weiche Gewebe ab, nur so entsteht überhaupt das hochbelastbare und harte Knochenmaterial. Ihre Gene und Proteine steuern den komplexen Vorgang.
Noch sind dabei nicht alle Details geklärt. Deshalb wollen die Forscher an kalkabscheidenden Organismen untersuchen, welche Proteine für den Aufbau regulärer Kalkschichten nötig sind.
