Faszination Technik Ein Superkleber aus körpereigenem Schleim

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Einen Klebstoff, der die wasserfeste Klebrigkeit der Muschelplaques mit Schleim als keimabweisendem natürlichen Material kombiniert.

Im Tierreich sind Muscheln Meister der Unterwasserhaftung: Die Meeresmuscheln tummeln sich auf Felsen und am Boden von Schiffen, und können sich dank eines Unterwasserklebers, den sie über ihren Fuß absondern, an den Wellen des Ozeans festhalten. Diese hartnäckigen Klebestrukturen haben Wissenschaftler in den letzten Jahren dazu veranlasst, ähnliche bioinspirierte, wasserfeste Klebstoffe zu entwickeln.

Jede Oberfläche des menschlichen Körpers, die nicht von Haut bedeckt ist, ist mit einer schützenden Schleimschicht ausgekleidet – einem schleimigen Netzwerk aus Glykoproteinen, die als physische Barriere gegen Bakterien und andere Infektionserreger wirkt. In ihrer neuen Arbeit kombinierten die Ingenieure klebrige, von Muscheln inspirierte Polymere mit aus Schleim gewonnenen Glykoproteinen, den Muzinen, um ein klebriges Gel zu bilden, das stark an Oberflächen haftet.

Ein internationales Forschungsteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA und des Sonderforschungsbereichs „Dynamische Hydrogele an Biogrenzflächen“ an der Freien Universität Berlin hat einen neuartigen Klebstoff entwickelt, der die wasserfeste Klebrigkeit der Muschelplaques mit Schleim als keimabweisendem natürlichen Material kombiniert. Der neue Ansatz des Teams zur Herstellung von Klebstoffen könnte auch so angepasst werden, dass andere natürliche Materialien wie Keratin – eine faserige Substanz, die in Federn und Haaren vorkommt und bestimmte chemische Eigenschaften aufweist, die denen von Schleim ähneln - einbezogen werden.

„Die Anwendungen unseres Materialdesign-Ansatzes werden von den spezifischen Vorläufermaterialien abhängen“, sagt George Degen, Postdoktorand am MIT Department of Mechanical Engineering. „Aus Schleim gewonnene oder von Schleim inspirierte Materialien könnten zum Beispiel als multifunktionale biomedizinische Klebstoffe verwendet werden, die auch Infektionen verhindern. Oder die Anwendung unseres Ansatzes auf Keratin könnte die Entwicklung nachhaltiger Verpackungsmaterialien ermöglichen.“

Bevor er zum MIT kam, war George Degen Doktorand an der University of California, Santa Barbara, wo er in einer Forschungsgruppe arbeitete, die die Haftmechanismen von Muscheln untersuchte. „Muscheln sind in der Lage, Materialien abzulagern, die innerhalb von Sekunden bis Minuten auf nassen Oberflächen haften“, sagt Degen. „Diese natürlichen Materialien haften besser als kommerzielle Klebstoffe, insbesondere auf nassen Oberflächen und unter Wasser, was seit Langem eine technische Herausforderung darstellt.

Klebeeigenschaften von Muschelplaques mit den Eigenschaften von Schleim verbinden

Um an einem Felsen oder einem Schiff zu haften, scheiden Muscheln eine proteinreiche Flüssigkeit aus. Chemische Bindungen oder Vernetzungen dienen als Verbindungspunkte zwischen den Proteinen und ermöglichen es der abgesonderten Substanz, sich gleichzeitig zu einem Gel zu verfestigen und an einer nassen Oberfläche zu haften.

Zufälligerweise finden sich ähnliche Vernetzungsmerkmale in Muzin – einem Protein, das der wichtigste nicht-wässrige Bestandteil von Schleim ist. Als Degen ans MIT kam, arbeitete er mit McKinley, einem Professor für Maschinenbau und Experten für Materialwissenschaften und Flüssigkeitsströmungen, und Katharina Ribbeck, einer Professorin für Bioingenieurwesen und führend in der Erforschung von Schleim, zusammen, um einen vernetzenden Klebstoff zu entwickeln, der die Klebeeigenschaften von Muschelplaques mit den bakterienhemmenden Eigenschaften von Schleim verbindet.

Die MIT-Forscher haben sich mit Rainer Haag und anderen Forschenden in Berlin zusammengetan, die sich auf die Synthese von bioinspirierten Materialien spezialisiert haben. Rainer Haag und Katharina Ribbeck sind Mitglieder einer gemeinsamen Forschungsgruppe, die dynamische Hydrogele für Bioschnittstellen entwickelt. Haags Gruppe hat muschelähnliche Klebstoffe sowie von Schleim inspirierte Flüssigkeiten hergestellt, indem sie mikroskopisch kleine, faserartige Polymere produzierte, die in ihrer Struktur den natürlichen Muzinen ähneln. „Es ist wie ein Zweikomponentenkleber, bei dem man zwei Flüssigkeiten miteinander kombiniert, und die Chemie beginnt zu wirken, indem sich die Flüssigkeit löst, während sich die Substanz gleichzeitig an die Oberfläche klebt“, sagt George Degen. „Je nach Vernetzungsgrad können wir die Geschwindigkeit steuern, mit der die Flüssigkeiten gelieren und haften“, erläutert Rainer Haag. „Wir können das alles auf nassen Oberflächen, bei Raumtemperatur und unter sehr milden Bedingungen machen. Das ist das Einzigartige.“

Alternative zu bestehenden medizinischen Klebstoffen

Nach Einschätzung der Forschenden kann mit ein wenig Tuning die Haftfähigkeit des Klebstoffs weiter verbessert werden. Wenn dies gelingt könnte das Material eine starke und schützende Alternative zu bestehenden medizinischen Klebstoffen sein.

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