„Lebende Organismen können hochleistungsfähige Materialien aus ihren grundlegenden Bausteinen herstellen, die sich zu komplexen Strukturen zusammensetzen. Dieser Prozess ist für den Menschen mit herkömmlichen Ansätzen der Materialherstellung immer noch sehr schwer zu reproduzieren“, sagt Matthew Harrington, Professor für Chemie und Hauptautor der Studie.
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Bei früheren Studien zu diesem Thema konzentrierte man sich auf die Herstellungsmechanismen natürlicher Materialien. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Studien zielt das Team nun darauf ab, neuartige Verbundwerkstoffe im Labor zu entwickeln.
„Unsere früheren Arbeiten beschäftigten sich mit biologischen Materialien. Jetzt arbeiten wir daran, von der Biologie inspirierte synthetische Materialien zu erschaffen“, sagt Professor Harrington.
Ansatz des Teams
Um diese Materialien zu entwickeln, ließ sich das Team einerseits von den proteinbasierten Klebestrukturen inspirieren, die von Muscheln produziert werden, und andererseits von den Zellulosefasernetzwerken der Mistelbeeren. Durch die Kombination eines im Labor produzierten Muschelproteins mit modifizierten Zellulosenanokristallen aus Holzbrei erhielt das Team Mikrotröpfchen.
„Muscheln produzieren Klebstoffe, Fasern und Beschichtungen aus dichten Proteintröpfchen, während die Mistel Zellulosenanokristalle als starres Baumaterial in ihren festen und klebrigen Fasern nutzt“, erklärt Hamideh Alanagh, Postdoktorandin und eine der Hauptmitautorinnen. „Durch die Kombination dieser beiden Mechanismen legen wir den Grundstein für eine nachhaltige Herstellung hochwertiger Materialien.“
Durch ein einfaches Gefriertrocknungsverfahren ordneten sich die Tröpfchen zu ausgerichteten, porösen Gerüsten mit einer geschichteten Struktur in verschiedenen Maßstäben an. Die winzigen Bausteine fügten sich zu größeren Mustern zusammen, ähnlich denen, die in biologischem Gewebe zu finden sind. „Diese Tröpfchen sind einfache Vorläufer für die Herstellung komplexer Materialien“, sagt Theo van de Ven, Professor für Chemie und Hauptautor.
Die Gerüste können auch wieder in Tröpfchen aufgelöst und dann für die Bildung neuer Strukturen neu zusammengesetzt werden, was auf einen Herstellungsprozess hindeutet, der die wiederholte Wiederverwendung eines Materials ermöglicht. „Die Reversibilität des Tröpfchenherstellungsprozesses ist aus Nachhaltigkeitssicht an sich besonders interessant“, betont Hamideh Alanagh. Darüber hinaus zeigten Labortests, dass diese Materialien für menschliche Zellen nicht toxisch sind, was den Weg für mögliche biomedizinische Anwendungen, beispielsweise im Tissue Engineering, ebnet.
Amin Ojagh, Postdoktorand und einer der Hauptautoren der Studie, betont, dass dieser Durchbruch durch die Kombination von Wissen über marine und pflanzliche Materialien ermöglicht wurde.
„Ohne die Erkenntnisse aus diesen beiden Systemen hätten wir diese neuen Materialien niemals erschaffen können“, sagt er.
„Einige Materialien, die wir täglich verwenden, wie Kunststoffe, Klebstoffe und Verbundwerkstoffe, schaden unserer Umwelt“, betont Professor Harrington. „Indem wir uns von der Natur inspirieren lassen, können wir umweltfreundliche und nachhaltige Herstellungsmethoden entwickeln und Materialien mit bemerkenswerten Eigenschaften produzieren.“