Zu neuartigen Knochenimplantat-Materialien könnte die Forschung eines Wissenschaftlers der Uni Halle-Wittenberg führen. Die ersten Ergebnisse, die bei extremen Belastungen ermittelt wurden, sind viel versprechend.
Biominerale wie Muschelschalen oder Meeresschwämme dienen Biomimetik-Forschern als Vorbild, denn sie besitzen einzigartige wertvolle Eigenschaften. „Schwämme sind zum Beispiel sehr widerstandsfähig und trotzdem beweglich. Sie können Licht leiten und sind Leichtgewichte“, erläutert Dr. Filipe Natalio, der an der Universität Halle-Wittenberg die neue „Nachwuchsgruppe für Bioanorganische und Biomimetische Chemie“ leitet.
Die perfekten Eigenschaften erhalten die Meeresorganismen durch den Prozess der Biomineralisation. Dabei steuern die Organismen selbst, wie Minerale und organische Bestandteile sich systematisch so anordnen, dass hochkomplexe Skelettstrukturen entstehen.
Filipe Natalio untersucht, wie es die Organismen schaffen, diese perfekten Strukturen systematisch herzustellen. „Wenn wir verstehen, wie Meerestiere wie Schwämme oder Kieselalgen wachsen, können wir diesen Prozess kopieren und damit neue Materialien entwickeln.“ Diese könnten zum Beispiel künftig in der Medizin als neuartige Knochenimplantate genutzt werden.
Die Entwicklung eines neuen Materials, das außergewöhnlich robust und zugleich so biegsam wie Gummi ist, hat der Portugiese in einer Studie beschrieben, die kürzlich im „Science“-Magazin veröffentlicht wurde. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz an der Universität Mainz, wo Filipe Natalio als wissenschaftlicher Mitarbeiter beschäftigt war, bevor er 2012 nach Halle kam.
Als Inspiration dienten den Forschern Glasschwämme, die seit mehr als 500 Millionen Jahren auf dem Meeresgrund leben. Diese Schwämme bestehen aus nadelförmigen Skelettelementen (Spicula), die durch Biomineralisation allmählich aus Kalzit und organischem Kleber (Proteinen) aufgebaut werden. „Diesen natürlichen Entstehungsprozess haben wir nachgeahmt, indem wir im Labor Silikateine zu Kalzit-Nanopartikeln hinzugefügt haben“, erläutert Natalio. Mit Hilfe des Proteins Silikatein bilden einige Schwammarten ihr Skelett.
Die künstlich hergestellten „Nadeln“ ähneln äußerlich ihren natürlichen Vorbildern. Zur Überraschung der Forscher erwiesen sie sich aber als noch robuster und zugleich biegsam. Selbst wenn sie im 180-Grad-Winkel zu einem U gebogen werden, überstehen die Nadeln diese extreme Belastung nahezu unbeschadet.
Dahinter steckt ein bislang unbekannter Aufbaumechanismus des Biominerals: Die Silikateine wirken wir ein Schmiermittel, das die Kalzit-Nanopartikel miteinander verbindet und zugleich die Elastizität der Struktur erhält. Dem Team um Natalio ist es gelungen, den natürlichen Bauplan dieses Biominerals zu entschlüsseln und das erste biomimetische Biomineral mit ähnlichen oder sogar verbesserten Eigenschaften zu entwickeln. op
Weitere Informationen Dr. Filipe Natalio hat seine Doktorabeit an der Uni Mainz über die Herstellung von bioinspirierten Biomaterialien als Knochenersatz verfasst. Ein Artikel darüber erschien in der Zeitschrift Science. http://www.sciencemag.org/content/339/6125/1298
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