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Bioinspirierte Unterwasserklebstoffe

Klebstoffe begleiten die Menschen bereits seit der Steinzeit und in den letzten Jahrtausenden hat die Menschheit es geschafft das Kleben immer weiter zu perfektionieren. Eine besondere Ausnahme stellt dabei jedoch das Kleben unter Wasser dar. Obgleich alle Adhäsionsverbindungen in lebenden Organismen und im Meer in Gegenwart von Wasser stattfinden, sind die allermeisten menschengemachten Klebesysteme für solche Umgebungen nicht geeignet. Neuere wissenschaftliche Erkenntnisse zu natürlichen Unterwasser-Klebesystemen machen ihre Erforschung in den letzten Jahren jedoch zunehmend interessanter, denn sie besitzen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten sowohl in der Medizin als auch der Industrie. Beispielsweise können solche Klebstoffe zum schonenden Wundverschluss sowie zur Gewebsrekonstruktion eingesetzt werden und gegenüber Nahtverbindungen deutliche Vorteile aufweisen. Aus industrieller Sicht sind Klebstoffe, die im wässrigen Milieu bzw. unter Wasser für Reparaturarbeiten und zur Befestigung von Sensoren oder anderen Bauteilen verwendet werden können von Interesse. Die Grundlagenforschung zu natürlichen, biologischen Unterwasserklebstoffen hat das Verständnis der vorherrschenden Haftmechanismen mittlerweile deutlich verbessert und so auch zur Erforschung und Entwicklung von nicht-toxischen Antifoulingbeschichtungen beigetragen. Verschiedene wichtige Voraussetzungen für das Kleben im wässrigen Milieu, wie beispielsweise eine robuste Grenzflächenhaftung, eine kontrollierte Verfestigung und eine ausreichende Kohäsionsfestigkeit, können nun gezielt erforscht werden.

Dabei sind beispielsweise natürliche Unterwasserklebstoffe von Muscheln, Köcherfliegenlarven, Rankenfußkrebsen und Sandburgenwürmern von Interesse. Sie basieren zumeist auf dem Catechol 3,4-Dihydroxy-L-phenylalanin (DOPA). Catechole, wie DOPA, besitzen ein  chemisches Strukturmotiv (ein Benzolring mit zwei direkt benachbarten Alkohol-Gruppen), das scheinbar für die guten Haftungseigenschaften der Tiersekrete verantwortlich ist. Die unterschiedlichen chemischen Bindungen (z. B. Wasserstoffbrückenbindungen, kovalente Bindungen, Koordination durch Metalle) zwischen dem charakteristischen Catechol-Rest des DOPA sowie andere Protein-Protein-Wechselwirkungen der Adhäsionsproteine (z. B. hydrophobe und elektrostatische Interaktionen oder Disulfidbrücken) ermöglichen eine gute Verklebung mit der Haftfläche. Aktuelle Forschungsansätze konzentrieren sich daher auf Proteine oder Polymere, die DOPA oder analoge Catecholverbindungen enthalten. So können beispielsweise gezielt spezielle biotechnologisch hergestellte Proteine erzeugt werden, die insgesamt als Klebeprotein wirken können oder nur spezifische Bereiche solcher Proteine enthalten. Durch den Einbau nicht-natürlicher Aminosäuren kann das Kleben verbessert oder zusätzliche Eigenschaften integriert werden (z. B. eine höhere Toleranz der Klebeverbindung gegenüber zerstörenden Einflüssen oder selbstheilende Eigenschaften).

Andere Forschungsansätze beschäftigen sich mit reversiblen Haftstoffen für den Unterwassereinsatz, die beispielsweise geckoähnliche Strukturmotive auf Silikonen oder Formgedächtnispolymere für die Haftung nutzen. Solche Haftstoffe können z. B. über Temperaturänderungen gesteuert werden. So wird ein kontrolliertes Absetzen bzw. Aufnehmen von Objekten aus Wasser oder für eine kontrollierte Fortbewegung unter Wasser (z. B. für Roboter) genutzt werden. Ein besonderer Vorteil von Unterwasserhaftstoffen aus Formgedächtnispolymeren gegenüber den vorgenannten Prinzipien ist, dass die Haftung nicht nur unter Wasser, sondern prinzipiell auch in anderen Flüssigkeiten, wie z. B. Ölen, funktioniert.

Bioinspirierte Unterwasserklebstoffe weisen insgesamt ein hohes Potenzial auf. Allerdings besteht auch immer noch ein großer Forschungsbedarf, z. B. in Bezug auf das Zusammenspiel der verschiedenen für die Adhäsion nötigen Moleküle, die Sekretionskontrolle der biologischen Organismen und ihre Langzeitstabilität. Zukünftige Forschungsrichtungen können u. a. die Verbesserung von DOPA-vermittelten Klebstoffen oder die Entwicklung gänzlich neuer Unterwasserklebstoffe beinhalten. Reversible Unterwasserhaftstoffe stecken noch in den Kinderschuhen, erste erfolgversprechende Ansätze konnten jedoch bereits identifiziert werden.

Dr. Diana Freudendahl

 

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