Intelligente Materialien nach dem Muster der Natur

24.01.2017

Biomedizinische Techniker der University of New South Wales in Sydney haben zum ersten Mal einen "intelligenten" Stoff hergestellt, der die hochentwickelten und komplexen Eigenschaften von einem der raffiniertesten Materialien in der Natur nachahmt, des Knochengewebes Periosteum.

Bild: Grafik, die den Aufbau eines menschlichen Knochens zeigt; Copyright: panthermedia.net/sciencepics

Das weiche Knochengewebe Periosteum umhüllt knochige Oberflächen in unserem Körper und schützt sie; ©panthermedia.net/ sciencepics

Ein Forscherteam der University of New South Wales arbeitet an der Entwicklung von neuartigen und widerstandsfähigen Materialien, die den medizinischen, Sicherheits- und Transportmittelsektor revolutionieren könnten. Mögliche zukünftige Einsatzbereiche dieses Materials variieren von Schutzanzügen, die sich bei starkem Aufprall verhärten, beispielsweise für Skier, Rennfahrer oder Astronauten, zu „intelligenten“ Kompressionsverbänden für tiefe Venenthrombosen, die auf die Bewegung des Trägers reagieren, bis hin zu sichereren Reifen.

Für die Herstellung dieser hochentwickelten funktionellen Materialien orientieren sich die Forscher an den Strukturen des weichen Knochengewebes Periosteum, welches knochige Oberflächen in unserem Körper umhüllt und schützt. Wie viele tierische und pflanzliche Gewebe weist auch das Periosteum raffinierte und anpassungsfähige Eigenschaften auf. Besonders die komplexe Anordnung von Kollagen, Elastin und anderen strukturellen Proteinen verleiht dem Periosteum eine erstaunliche Widerstandsfähigkeit und versieht Knochen mit zusätzlicher Stärke bei einer hohen Stoßbelastung.

Bisher war es Forschern jedoch nicht gelungen, das besondere Gewebe mit Grundbausteinen nachzubauen, um damit funktionelle Materialien herzustellen. Erst dem Team der UNSW, unter Leitung von Prof. Melissa Knothe Tate, gelang es, die komplexen Gewebestrukturen des Periosteums auszuarbeiten und anhand von 3D Simulationen und Computermodellen zu visualisieren sowie anschließend die wesentlichen Bestandteile zu vergrößern, um das Muster zu kopieren und dadurch Prototypen von funktionellen Materialien mit Hilfe einer Webtechnik zusammenzusetzen.

Das Ergebnis sind textile Musterproben, die die Spannungs- und Dehnungseigenschaften des Periosteumgewebes nachahmen. Ihre Forschungsergebnisse hat das Team im Nature's Scientific Report veröffentlicht.

Nachdem die Forscher mit Hilfe der Computersimulationen überprüften, dass eine Nachahmung des natürlichen Gewebes gelingen konnte, ermöglichten es die Computermodelle, verschiedene stoffliche Zusammensetzungen zu testen, erklärt Knothe Tate. Dabei stellte sich heraus, dass Kollagen und Elastin zu kleine Fasern besitzen und diese nicht verwoben werden können. Deshalb benutzte das Team elastisches Material, weiches Elastin und Seide, welches Kollagen imitierte. Mit dieser Zusammensetzung konnten Gewebe-Prototypen hergestellt werden, die in mechanischen Tests ähnliche Eigenschaften wie Periosteum hervorbrachten.

Laut Hauptautor Joanna Ng hat diese Technik signifikante Auswirkungen auf die Entwicklung von neuartigen Materialien. Das Team der UNSW möchte sich dabei besonders auf das Potenzial für Menschen fokussieren mit dem Ziel, im Labor, biologische Gewebe zu entwickeln speziell für menschliche Körperteile, um unsere nachlassenden Gelenke später einmal besser zu ersetzen oder reparieren zu können.

Eine Förderung des NHMRC, die im November genehmigt wurde, ermöglicht es dem Team, seine Forschung auf die nächste Ebene zu heben, um zusammen mit der amerikanischen Klinik Cleveland Clinic und Prof. Tony Weiss der University of Sydney an "intelligenten" Technologien zu arbeiten und Prototypen von Knochenimplantate für präklinische Forschungen innerhalb der nächsten drei Jahre zu kommerzialisieren. Patente sind bereits in Australien, den USA und Europa angemeldet.

MEDICA.de; Quelle: Australisch-Neuseeländischer Hochschulverbund / Institut Ranke-Heinemann

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