Zukunftsfeld Bionik

In der Natur gibt es un­zählige Materialien, die durch ihre in Jahr­millionen optimierten Eigen­schaften künstlich her­gestellten Produkten weit über­legen sind. Viele dieser Materialien zeigen interessante Lösungs­ansätze für Anwendungen in Industrie und Technik.

Ein Mann betrachtet eine Spinne
Von der Natur lernen: Spinnenseide ist ein Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer leistungsfähiger Biomaterialien. © Lili Nahapetian

Die Bionik ist ein Forschungsfeld, das sich dadurch auszeichnet, dass kreative technische Innovationen von natürlichen Vor­bildern inspiriert werden. Aller­dings gibt es bisher nur einige wenige Entwicklungen aus der Bionik, die den Einzug ins all­tägliche Leben gefunden haben. Zu bekannten bionischen Entwicklungen zählen unter anderem der Klett­verschluss, selbst­reinigende Ober­flächen mit Lotus-Effekt®, Gecko-Tape® zur kleber­losen reversiblen Anhaftung, aber auch Opti­mierungs­algorithmen und neu­artige Aktuator­Konzepte für den Auto­mobil­bau, die Robotik und die medizinische Prothetik.

Um interessante Ansätze aus der Biologie in inno­vative Produkte um­setzen zu können, ist ein strukturiertes und methoden­gestütztes Vor­gehen uner­lässlich. Der­artige Innovations­prozesse bedürfen einer Entwicklungs­umgebung, die von inter­disziplinärer Kommunikation und Zusammen­arbeit geprägt ist. Sie sind charakterisiert durch: schwierige Prognosen aufgrund des hohen Neu­heits­grades, hohe Komplexität infolge des Zusammen­spiels biologischer und technischer Systeme, hohe Anforderungen hin­sichtlich Qualität, Zeit und Kosten. An der Universität Bayreuth haben sich mehrere Arbeits­gruppen dieser Heraus­forderung gestellt.

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Molekulare Bionik

Ein zukunfts­weisendes Forschungs­feld an der Universität Bayreuth ist die mole­kulare Bionik, die sich mit biogenen Molekülen und daraus aufgebauten Materialien befasst. Dabei geht es zunächst darum, diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften sowie ihrer intra- und inter­molekularen Wechsel­wirkungen zu analysieren. Zu den biologischen Grund­bau­steinen zählen Poly­sacchararide, Nuklein­säuren, Proteine und Lipide, darüber hinaus aber auch Bio­minerale. Diese kommen zum Beispiel in Verbund­materialien wie Knochen, Zähnen oder Muschelschalen zum Einsatz. Biogene Materialien weisen meist einen hierarchischen Auf­bau auf. Der Aufbau vom Kleinen zum Großen beginnt auf molekularer Ebene mit der Bildung modularer Einheiten, die dann gleichsam als Bausteine zur Verfügung stehen.

Goldene Radnetzspinne (Nephila edulis)
Goldene Radnetzspinne (Nephila edulis) © Lili Nahapetian

Deren Anlagerung zu größeren funktionellen Einheiten vollzieht sich häufig in Prozessen der Selbst­organisation (Selbst­assemblierung); sie wird unter­stützt durch Hilfs­strukturen und inter­molekulare Wechsel­wirkungen. Das bedeutet: Die Bildung größerer funktioneller Einheiten aus modularen Bau­steinen verläuft – weil es ein Energie­gefälle von den kleineren zu größeren Einheiten gibt – in wässrigen Systemen „wie von selbst“. Die Forschungs­arbeiten am Lehr­stuhl Bio­materialien konzentrieren sich auf bio­mimetische Protein­materialien – insbesondere solche, die durch faser­bildende Struktur­proteine gebildet werden.

Bekannte Faserstruktur­proteine sind Keratine in Haaren, Kollagene in der Haut, aber auch Seide von Insekten und Spinnen in Kokons oder Netzen. Charakteristisch für alle diese Proteine ist ihr Aufbau aus sich wiederholenden Sequenz­einheiten. Dabei haben die genannten Beispiele jeweils für sie typische Amino­säure-Motive, die für spezifische Eigen­schaften verantwortlich sind. Ein Beispiel ist das nur sechs Amino­säuren umfassende, sich mehrfach wieder­holende Motiv GAGAGS (mit G = Glycin; A = Alanin; S = Serin). Es ist verantwortlich für kristalline, mechanisch feste Bereiche im Seiden­faden des Seiden­spinners. Beim Abseil­faden von Spinnen – eines der Modell­systeme am Lehr­stuhl Bio­materialien – kodieren für die gleiche Eigenschaft Poly-Alanin-Motive unter­schiedlicher Länge. Spinnen­seide besitzt heraus­ragende mechanische Eigenschaften, eine hohe Biokompatibilität und eine gute bio­logische Ab­bau­bar­keit. Dadurch und durch einfaches Ein­bringen bestimmter Zusatz­funktionen ist sie sehr interessant für material­wissen­schaftliche Anwendungen.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des proximalen (elastischen) (a) und distalen (steifen) (b) Abschnitts eines Byssusfadens der Miesmuschel.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des proximalen (elastischen) (a) und distalen (steifen) (b) Abschnitts eines Byssusfadens der Miesmuschel. © LS Biomaterialien, Uni Bayreuth

Ein weiteres Modellsystem am Lehr­stuhl Bio­materialien sind Muschel­fäden. Die von Muscheln in der freien Natur produzierten Byssus­fäden aus Kollagen sind Fasern mit einzig­artiger Stabilität und Dehn­barkeit. Die Byssus­fasern verbinden weiche Muskeln mit harten Substraten (zum Beispiel Steine) und weisen – bedingt durch die Eigen­schaften, Zusammen­setzung und Anordnung ihrer Bio­poly­mere – einen außer­gewöhn­lichen mechanischen Gradienten auf: Die Festig­keit nimmt vom Muschel­fuß (dem Muskel – proximaler Abschnitt) zur Anhaftungs­stelle (dem Stein – distaler Abschnitt) hin zu. Dies verhindert weitest­gehend das Auf­treten von Spannungen in radialer Richtung und ermöglicht somit eine erhöhte Dauer­festig­keit. Ein weiterer Vor­teil: Wenn Byssus­fäden über­dehnt werden, sind sie in der Lage, ihre mechanischen Eigen­schaften voll­ständig zu regenerieren.

Innovative Hybrid-Polymere

Die ‚weiße Biotechnologie‘ ist heute in der Lage, biomimetische Pendants von Struktur­proteinen – sogar mit zusätzlichen spezifischen Funktionen – auf kosten­günstige Weise her­zu­stellen. Das Protein-Design kann man beispiels­weise gezielt dazu einsetzen, um nicht-natürliche Eigenschaften zur Bindung von Metall-Ionen, Enzymen oder Mineralien in natürliche Struktur­proteine einzu­bauen. Auch kann man biogene Struktur­proteine mit synthetischen Polymeren kombinieren. Mit speziellen Verarbeitungs­verfahren können verschiedene Formen solcher Hybrid-Proteine oder Hybrid-Polymere hergestellt werden, die dann durch Pro­zessierungs­verfahren zu Fasern, Filme, Hydro­gele, Partikel und Schäume weiter verarbeitet werden.

Portrait von Prof. Dr. Thomas Scheibel, Inhaber des Lehrstuhls Biomaterialien an der Universität Bayreuth. Prof. Dr. Thomas Scheibel ist Inhaber des Lehrstuhls Biomaterialien an der Universität Bayreuth. © AMSilk GmbH
Portrait von Akad. Rat Dr. Hendrik Bargel, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Biomaterialien und Laborleiter des TAO-Keylabs Fasertechnologien. Akad. Rat Dr. Hendrik Bargel ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Biomaterialien und Laborleiter des TAO-Keylabs Fasertechnologien. © Uni Bayreuth

Ebenso spielen adaptive Fertigungs­verfahren wie der 3D-Druck zunehmend eine Rolle. Neue „High-performance-Protein­materialien“ kommen in unter­schiedlichsten Bereichen von Wissen­schaft und Industrie zum Einsatz. In der Bio­medizin können sie als maskierende Beschichtungen von Silikon­implantaten, als Wirk­stoff-Transport­systeme oder als Sehnen­ersatz­material mit graduellem Steifigkeits­über­gang verwendet werden. Zudem ermöglichen sie innovative technische Anwendungen – zum Beispiel neuartige Fein­staub-Filter­systeme oder dauer­belast­bare Aktor­systeme in der Robotik.

Zelluläre Strukturen

Ein in der Natur sehr wichtiges Bauprinzip ist der effiziente Einsatz von Materialien, insbesondere in makros­kopischer Größen­ordnung. Ein besonders interessantes Beispiel sind zelluläre Strukturen, die einen Arbeits­schwer­punkt am Lehr­stuhl für Poly­mere Werk­stoffe darstellen. Zelluläre Strukturen finden sich beispiels­weise im Knochen oder im Holz. Sie besitzen sehr gute spezifische mechanische Eigen­schaften oder außer­gewöhnliche Wärme­dämm­eigen­schaften. Als Werk­stoffe ermöglichen sie – im Vergleich mit kompakten Werk­stoffen – erhebliche Material­ein­sparungen bei gleicher oder sogar besserer Funktionalität. Anwendungs­beispiele für zelluläre Poly­mere finden sich im Cockpit­bereich von Auto­mobilen oder Flug­zeugen. Und in der Energie­technik helfen sie aufgrund ihres geringen Gewichts bisherige Lösungen zu verbessern, indem sie beispiels­weise die Effizienz von Wind­rädern steigern.

Ein weiterer Forschungsansatz in Bayreuth ist die bio-inspirierte Gewinnung und Speicherung von Energie. Der Lehr­stuhl für Werk­stoff­verarbeitung forscht unter anderem an der photo­chemischen Spaltung von Wasser an nano­strukturierten Halbleiter­ober­flächen. Hierfür werden Nano­tubes aus Titan­dioxid verwendet, die eine durch Licht­energie aus­gelöste Produktion elektrischer Energie ermöglichen. Die so gewonnene elektrische Energie lässt sich in Kombination mit einer Wasser­stoff-Brenn­stoff­zelle nutzen, und Wasser wird wieder zurück­geführt. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt der Lehr­stuhl für Bio­materialien in seinem Projekt SpiderMAEN (Recombinant Spider Silk-based Hybrid Materials for Advanced Energy Technology). Hier werden Faser­matten mit biphasischen Strukturen aus Titan­oxid und Gold verwendet, die eine photo­katalytische Wasser­spaltung ermöglichen.

Das von der DFG geförderte Graduierten­kolleg 1640 „Photophysik synthetischer und biologischer multi­chromo­phorer Systeme“ (Sprecher: Prof. Dr. Jürgen Köhler) an der Universität Bayreuth geht noch einen Schritt weiter. Hier werden biologische Systeme untersucht, um aus pflanzlichen Licht­sammel­prozessen neue Erkenntnisse für den Bau organischer Solar­zellen ab­zu­leiten. Dabei geht es im Kern um das Light Harvesting (Lichternte) und die Frage, wie in der Photo­synthese das Sonnen­licht in speziellen Antennen­proteinen gesammelt und die Ladungs­trennung ausgelöst wird. Parallel dazu werden auch Licht­sammel­prozesse in chemisch synthetisierten Systemen erforscht und daraufhin getestet, ob man aus ihnen einfache, kosten­günstige aber effiziente Solar­zellen bauen kann.

Herausforderungen für Forschung und Wirtschaft

Das Wissen über Materialien in der belebten Natur ist derzeit nur für wenige ausgewählte Beispiele so weit fortgeschritten, dass eine Über­tragung auf industrielle Anwendungen und Prozesse erfolgen konnte. Eine Ausweitung auf weitere Beispiele und Materialien stellt eine Heraus­forderung für zukünftige Forschungs- und Entwicklungs­vorhaben dar. Für die Analyse biogener Materialien und für Anwendungen der dabei gewonnenen Erkenntnisse ist eine enge, intensive und offene Zusammen­arbeit verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen unab­dingbar. Hier gilt es insbesondere, inter­disziplinäre Hemmnisse zwischen Natur- und Ingenieur­wissen­schaften zu über­winden. Zudem müssen Unternehmen noch stärker als bisher dafür gewonnen werden, traditionelle Verfahren durch neuartige bio-inspirierte Ansätze und Prozesse zu ersetzen. Inhaltlich gilt es in Zukunft, insbesondere die Wechsel­wirkung zwischen Organismen und Materialien besser zu erforschen.

Wenn man weiß, wie molekulare Wechsel­wirkungen sowie Organisations- und Material­bildungs­prozesse gesteuert werden können, wird es möglich sein, anwendungs­nahe, komplex strukturierte und multi­funktionelle Materialien zu generieren, die auf konventionelle Weise nicht hergestellt werden können. In diesem Kontext hat sich die Universität Bayreuth in den letzten Jahren sehr gut positioniert, so dass man sich in naher Zukunft auf innovative Material­konzepte – inspiriert durch die Natur und made in Bayreuth – freuen kann.

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