Kunststoff nach Muschelart

Ein Polymer aus dem Labor besitzt ähnliche Eigenschaften wie ein Muschelprotein, weil es auf dieselbe Weise vernetzt ist.

Ob Glasschwamm, Spinnen- oder Muschelseide – unzählige Materialien aus der Natur sind für technische Anwendungen interessant. Chemikern der Universitäten Chicago und Santa Barbara ist es nun gemeinsam mit dem Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm gelungen ein Polymer herzustellen, das dem sehr festen und dehnbaren Protein im Mantel der Muschelseide ähnelt.

 Abb.: Eine Elektronenmikroskopieaufnahme der Muschelseide (mitte) zwigt die harte, raue Oberfläche. Die knubblige Struktur resultiert aus den körnigen Einschlüssen, die in eine deutlich weichere Matrix eingebettet sind. Der Anteil von DOPA-Eisen-Komplexen ist in den harten Körnern sehr viel höher als in der umgebenden Matrix, welche die Dehnbarkeit gewährleistet. (Bild: Matt Harrington, Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung)

Muscheln heften sich mithilfe von Muschelseide (Byssus) am felsigen Untergrund fest und trotzen so den anbrandenden Wellen in der Gezeitenzone. Die besonderen chemischen Struktureigenschaften haben ihren Ursprung darin, dass die Außenhaut aus einem Proteinnetz besteht, welches durch Komplexe aus Eisenmolekülen und L-DOPA, einer veränderten Form der Aminosäure Tyrosin, stabilisiert wird. Ein einziges Eisen-Ion kann an bis zu drei DOPA-Moleküle binden, so dass ein äußerst stabiler Metallproteinkomplex entsteht. Eine solche Bindung aufzubrechen, ist schwer und kostet fast soviel Energie wie eine kovalente Bindung zwischen zwei Atomen. Im Gegensatz zur Atombindung kann sich die Eisen-DOPA-Bindung spontan wieder bilden, nachdem sie gebrochen ist. So könnten winzige Risse in der Hülle von selbst heilen, wie die Forscher vermuten.

Das neue Material kann sich, wie sein natürliches Vorbild, selbst heilen. Durchschneiden die Forscher das Gel verbinden sich die beiden Teile binnen weniger Minuten wieder. Die Konsistenz des Stoffes lässt sich über Veränderung des pH-Werts kontrollieren. Bei einem leicht sauren pH-Wert von etwa 5 ist das Material flüssig, während es sich bei einer Erhöhung des pH-Wertes nach und nach in ein festes Gel verwandelt.

In Potsdam wurde die Struktur des Materials, wie auch zuvor die der Byssushülle, mit konfokaler Raman-Spektroskopie untersucht. Mit dieser Methode ist es möglich, die Bindungen zwischen den Eisenatomen und den L-DOPA-Melokülen direkt nachzuweisen.

„Ob die Prinzipien der Muschel tatsächlich auch bei industriell hergestellten Werkstoffen zur Anwendung kommen, können wir zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht sagen“, gibt Matthew Harrington zu bedenken. Solche synthetischen Polymere könnten sich als neue Klebstoffe in der Unterwassertechnik und der Medizin eignen.

MPG / KK