Das stärkste bekannte Material der Natur ist die Inspiration für eine umweltfreundliche Alternative zu Kevlar

Oct 12, 2023

Die Natur ist in der Lage, Materialien von unglaublicher Festigkeit hervorzubringen, wobei Spinnenseide eines der berühmtesten Beispiele ist. Im Jahr 2015 machte eine Gruppe von Wissenschaftlern eine bahnbrechende Entdeckung auf diesem Gebiet und zeigte, dass die Zähne von Weichtieren, sogenannten Napfschnecken, tatsächlich die stärkste Zugfestigkeit aller biologischen Materialien aufweisen. Inspiriert von diesen Feuersteinzähnen hat das Team ein Verbundbiomaterial mit extremer Festigkeit hergestellt, das eine nachhaltigere Alternative zu Hochleistungsmaterialien wie Kevlar darstellen könnte.

Napfschnecken sind Wasserschnecken mit hutförmigen Gehäusen, die sich hervorragend an Felsen entlang der Küste festhalten. Ein Teil dieses Lebensstils an der Küste besteht darin, mit den Zähnen über die rauen Oberflächen zu scharren, um Algen zur Nahrungsaufnahme zu sammeln, und darin liegt das Geheimnis der beispiellosen Zugfestigkeit der Tiere.

Im Jahr 2015 untersuchten Forscher der University of Portsmouth mithilfe der Rasterkraftmikroskopie Zahnmaterial von Napfschnecken und analysierten es auf atomarer Ebene. Die Arbeit ergab, dass Napfschneckenzähne eine Zugfestigkeit von 3 bis 6,5 Gigapascal (GPa) haben. Zum Vergleich: Spinnen-Schleppleinenseide hat eine Zugfestigkeit von etwa 1,3 GPa, während Stahl bei etwa 1,65 GPa liegt. Die Wissenschaftler glauben, dass der Grund für die unglaubliche Zugfestigkeit des Napfschneckenzahns ein dichtes Netzwerk aus Chitinfasern ist, in dem feine Kristalle aus eisenhaltigem Geothit verteilt sind.

Das Team hat nun ein System entwickelt, das die Bildung ähnlicher Strukturen im Labor ermöglicht, beginnend mit serumbeschichtetem Glas und darauf abgeschiedenem Chitin und Eisenoxid. Innerhalb von zwei Wochen organisieren sich diese selbst zu dem Organ, das für die Bildung der Napfschneckenzähne verantwortlich ist und Radula genannt wird. Mithilfe einer Kombination aus isolierten Radulazellen, Gewebeproben, mineralisiertem Chitin und einer Technik namens Elektrospinnen konnten die Wissenschaftler dann Bänder aus biomimetischen Napfschneckenzähnen mit einer Breite von einem halben Zentimeter (0,2 Zoll) züchten.

„Ich habe sechs Monate damit verbracht, diesen Prozess einzurichten“, sagte Dr. Robin Rumney, Hauptautor der Studie. „Ich habe jede Art von Permutation durchgespielt, die mir einfiel, um herauszufinden, was die Zellen brauchen könnten und wie sie wachsen würden. Es ist etwas ganz anderes als das Wachstum von Bakterien oder Krebszellen, die normalerweise in einer Laborumgebung wachsen, also mussten wir von Grund auf neu arbeiten.“ was würde funktionieren.

Das neue Verbundbiomaterial mit extremer Festigkeit könnte einen wichtigen Platz im Bereich der synthetischen Materialien einnehmen. Wenn es dem Team gelingt, den Prozess erfolgreich auszuweiten, könnte er eine nachhaltigere Alternative zu Materialien wie Kevlar und Kunststoff bieten, deren Herstellung ressourcenintensiv ist und die sich nicht so leicht recyceln lassen.

„Vollsynthetische Verbundwerkstoffe wie Kevlar werden häufig verwendet, aber die Herstellungsprozesse können giftig sein und die Materialien schwierig und teuer zu recyceln“, erklärte Rumney. „Hier haben wir ein Material, das hinsichtlich seiner Beschaffung und Herstellung potenziell viel nachhaltiger ist und am Ende seiner Lebensdauer biologisch abbaubar ist.“

Die Forscher konzentrieren sich nun darauf, den Prozess zu optimieren und zu erweitern, um die synthetischen Napfschneckenzähne in dem für die Massenproduktion erforderlichen Maßstab herzustellen.

„Unser nächster Schritt besteht darin, andere Wege zu finden, um die Eisenbildung herbeizuführen. Deshalb untersuchen wir die Sekrete der Napfschneckenzellen, um das besser zu verstehen“, sagte Rumney. „Wenn es wirklich gut funktioniert, dann haben wir bereits die Genauslesungen des Organs, sodass wir die Gene von Interesse herausnehmen und sie hoffentlich in Bakterien oder Hefe einbringen können, um sie in großem Maßstab wachsen zu lassen. Offensichtlich haben wir eine Plastikkrise in den Ozeanen.“ und ich denke, es ist eine schöne Symmetrie, dass wir von einem Meerestier lernen können, wie wir es besser schützen können, indem wir die Verwendung von Kunststoffen durch einen biologischen Ersatz ersetzen.“

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Quelle: Universität Portsmouth