Biomimetische Materialien
- Prof. Dr. rer. nat. Dirk Volkmer
Für die Entwicklung biomimetischer Materialien wird Prof. Dr. Dirk Volkmer mit dem Merckle Forschungspreis 2008 ausgezeichnet. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich seit einigen Jahren mit der Übertragung biologischer Struktur- und Synthesestrategien auf technische Systeme. Biologische Organismen haben im Laufe der Evolution eine Fülle von Materialien entwickelt, die als Vorlage für innovative Konstruktionswerkstoffe, aber auch für Anwendungen im Bereich der Medizin, interessant erscheinen. Im Gegensatz zu modernen Höchstleistungswerkstoffen, bei denen oftmals die Optimierung einzelner Eigenschaften im Vordergrund steht, zeichnen sich biomimetische Materialien in der Regel durch multifunktionelle Eigenschaften aus, die immer eine (sinnvolle) Kompromisslösung darstellen. Die Natur verwendet wenige, leicht verfügbare Bausteine, die sie nach dem Baukastenprinzip zu neuartigen Materialien kombiniert. Dabei spielt oftmals die gezielte Modifizierung von Grenzflächen eine entscheidende Rolle.
Ein anschauliches Beispiel für derartige Strategien liefert die Biomineralisation. Mineralisierte Hartgewebe sind im Tierreich weit verbreitet, Beispiele dafür sind die Knochen der Wirbeltiere (Vertebrata) oder Schalen der Weichtiere (Mollusken). Speziell die auffällig irisierende Innenseite der Muschelschalen hat es in sich: Diese besteht aus Perlmutt, einem Kompositmaterial aus Aragonit (einer Kristallmodifikation von Calciumcarbonat) und einem sehr geringen (< 2 % Gew.-Anteil), aber entscheidenden Anteil spezialisierter organischer Moleküle. Diese Moleküle übernehmen verschiedene Aufgaben: Sie gliedern den Raum, in dem die Mineralisation der Schale erfolgt, sie prägen die Form der mikroskopischen Kristalle und verkleben diese untereinander zu einem äußerst zähen und korrosionsbeständigen Kompositwerkstoff, der mit dem brüchigen Mineralbaustoff („Kalk“) nur wenig gemein hat.
- Abb.: Schale der Neuseeländischen Paua (Haliotis iris), einer große Meeresschnecke, die ein besonders regelmäßiges Perlmutt produziert. Ein Teil der grobkristallinen Außenschale wurde entfernt um die innere Perlmuttschicht freizulegen.
Trotz langjähriger internationaler Forschungsbemühungen ist es bisher noch nicht vollständig gelungen das Geheimnis der Biosynthese von Perlmutt aufzuklären. Allerdings haben jüngste Untersuchungen, unter anderem aus dem Labor des diesjährigen Preisträgers, entscheidende neue Erkenntnisse dazu geliefert. Bisher ging man allgemein davon aus, dass sich die geordnete Perlmuttstruktur durch gerichteten Aufwuchs von Calciumcarbonat-Kristallen auf eine präorganisierte organische Matrix ergibt, die dafür eine Art Blaupause (ein „molekulares Templat“) liefert. Diese Lehrmeinung ist nach neueren Erkenntnissen nicht haltbar: Dem Arbeitskreis von Professor Volkmer gelang vor einiger Zeit der Nachweis, dass die spezielle Kristallform der Aragonitkristalle im Perlmutt durch einen Transformationsprozess nachgebildet werden kann, bei dem strukturell amorphe Precursorphasen von Calciumcarbonat eine entscheidende Rolle spielen. Dabei handelt es sich, vereinfacht formuliert, um „flüssiges Calciumcarbonat“, das durch geringe Zusätze an organischen Makromolekülen an der Kristallisation gehindert wird. Der entscheidende Vorteil: Ein flüssiger Baustoff lässt sich in eine beliebige Form bringen, ganz anders als ein kristallines, anisotropes Material. Durch einen geeigneten physikalischen oder chemischen Stimulus lässt sich das amorphe Material dann in ein formgeprägtes kristallines Material umwandeln, wobei wiederum organische Makromoleküle eine wichtige Rolle spielen.
- Abb.: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Bruchkante aus der Perlmuttschicht von Haliotis iris (ca. 4000-fache Vergrößerung). Die gleichförmige Ausrichtung der tafelförmigen Aragonitkristalle bewirkt den irisierenden Glanz der Perlmuttschicht, ist aber auch für deren außergewöhnliche Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verantwortlich.
In einfachen Modellsystemen wurde in der Arbeitsgruppe von Professor Volkmer bereits gezeigt, dass biomimetische Strategien genutzt werden können, um perlmuttartige Oberflächen herzustellen. Diese Modellstudien werden zurzeit in Form von Pilotprojekten weiter entwickelt, um biomimetische Verarbeitungs- und Prozesstechnologien für technisch relevante Systeme nutzbar zu machen. Dabei reicht die Spanne potenzieller Anwendungen von korrosionsbeständigen Coatings für Gebäudekonstruktionen im Offshore-Bereich, über kratzfeste Autolacke bis hin zu medizinischen Anwendungen, zum Beispiel neuartigen Knochenersatzwerkstoffen. An den Projekten beteiligen sich viele Forschungsgruppen an international renommierten Forschungsinstituten. So gibt es eine Reihe von Projekten mit der EPFL Lausanne, dem Department of Biomedical Engineering (Gainesville, Florida) oder dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam. Die Forschungsarbeiten werden durch öffentliche und private Einrichtungen (DFG, Landesstiftung Baden-Württemberg) intensiv gefördert. Es gibt eine Reihe von aktiven Industriekooperationen, u.a. mit BASF, aber auch mit ortsansässigen Unternehmen aus dem Ulmer Raum, zum Beispiel mit der Firma Schwenk.
Muschelschalen als Vorlage für innovative Materialien sind nur ein Beispiel für biomimetische Verfahren. Die Arbeitsgruppe verfolgt derzeit verschiedene Projekte, unter anderem die Entwicklung von strukturierten Oberflächen nach dem Vorbild von Schmetterlingsflügeln oder die Nachahmung von Viren mittels selbstorganisierender supramolekularer Container für das gezielte Einschleusen von Wirkstoffen in Zellen.
Ansprechpartner
- V.i.S.d.P.:
Christina Schwenck-Bothner
Protokoll und Veranstaltungen - Universität Ulm
- Telefon: +49 (0)731-50-22017
- Telefax: +49 (0)731-50-22049
Universität Ulm
Lageplan Medizinische Klinik