Spinnenseide

Multifunktionale Spinnenseide – ein vielversprechender Werkstoff

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Biomimetische Umsetzung eines uralten Erfolgsprinzips

Um Spinnenseidenproteine biotechnologisch herzustellen (Bild 3), wurden die für die Proteine verantwortlichen Gensequenzen für die rekombinante Produktion im Wirtsorganismus Escherichia coli angepasst [5]. Diese modifizierten Wirtsbakterien können durch traditionelle Fermentationsprozesse in Bioreaktoren vermehrt werden.

Das Seidenprotein wird intrazellulär produziert, weswegen die Bakterien nach der Fermentation aufgeschlossen und die freigesetzten Seidenproteine von Zelltrümmern und bakteriellen Proteinen gereinigt werden müssen. Hierfür wurde ein Reinigungsverfahren entwickelt, bei dem komplett auf kostenintensive chromatografische Schritte verzichtet wird. Nachdem die Seidenproteine gereinigt und getrocknet wurden, können sie in Lösung gebracht und verarbeitet werden [6]. Um die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften natürlicher Spinnenseidenfäden auch technisch nachahmen zu können, reicht es nicht, die Spinnenseidenproteine herzustellen. Insbesondere die Vorgehensweise bei der Verarbeitung trägt essenziell zur Stabilität der Fäden bei (Bild 4). In der Spinndrüse der Spinne wird eine hoch konzentrierte wässrige Proteinlösung gespeichert, die bei der Faserherstellung einen Spinnkanal durchwandert. Dabei kommt es durch einen Abfall des pH-Wertes sowie durch Ionenaustausch und Dehydration bei gleichzeitigem Auftreten von Scherkräften zur Faserassemblierung und Ausrichtung der kristallinen Regionen in der amorphen Proteinmatrix [7].

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Um diesen Prozess technisch nachzuahmen, wird zunächst eine wässrige Proteinlösung hergestellt, aus der eine hochprozentige Proteinlösung zur Weiterverarbeitung gewonnen wird. Im nächsten Schritt wird in einem Fällbad durch Ionenaustausch und Ansäuern ein Flüssig-fest-Phasenübergang induziert und somit die Faserbildung initiiert [8]. Durch Nachdehnen der noch feuchten Faser wird eine Ausrichtung der Molekülketten bewirkt, wodurch Fasern mit einer Zähigkeit hergestellt werden, die mit der des natürlichen Abseilfadens vergleichbar ist. Die erste Faser dieses Typs wurde Anfang 2013 von der Firma AM-Silk GmbH (Planegg/Martinsried, Deutschland) unter dem Markennamen Biosteel vorgestellt.

Für die Herstellung von Spinnenseidenfasern mit Durchmessern im Submikron- bis Nanometerbereich wird das Verfahren des Elektrospinnens oder elektrostatischen Spinnens angewandt (Bild 5) [9]. Dabei wird ein starkes elektrisches Feld genutzt, um aus einer Seidenlösung einen dünnen Strahl zu generieren, der durch Vertrocknen des Lösungsmittels zu einer Faser aushärtet. Die Fasern werden in Form eines ungeordneten Vlieses abgelegt und besitzen je nach Lösungskonzentration kontrollierbare Durchmesser in einer Größenordnung von 50 nm bis 2 µm [10]. Die bioverträglichen Spinnenseidenvliese bieten ein hervorragendes Beispiel für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Multitasking-Spinnenseide.

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