Spinnenseide Multifunktionale Spinnenseide – ein vielversprechender Werkstoff

Autor / Redakteur: Gregor Lang und Thomas Scheibel / Peter Königsreuther

Seit Langem kennen Materialexperten die einzigartigen Eigenschaften der von den Achtbeinern hergestellten Fäden, deren Zähigkeit selbst Stahl in den Schatten stellen kann. Einem Forscherteam ist nun die Herstellung von Spinnenseidenproteinen gelungen, die zu technisch einsatzfähigen Fasern gesponnen werden können.

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Bild 2: Viele Spinnen setzen beim Bau ihrer Fangnetze verschiedene Seidenarten ein.
Bild 2: Viele Spinnen setzen beim Bau ihrer Fangnetze verschiedene Seidenarten ein.
(Bild: Lang)

Spinnen sind faszinierende Jäger, die im Laufe ihrer 400 Mio. Jahre langen Evolutionsgeschichte die außergewöhnlichsten Überlebensstrategien entwickelten. Sie erschlossen verschiedenste Lebensräume – man findet sie im Erdreich und sogar unter Wasser – und passten ihre Beutefangmethoden an ihre Umgebung an. Ein einzigartiges Beispiel für die Kreativität dabei bieten Radnetzspinnen.

Sie haben sich darauf spezialisiert, mit ihren Seidennetzen fliegende Insekten zu fangen. Dabei produzieren sie Seidenfäden, die durch eine einzigartige Kombination aus Festigkeit und Elastizität in der Lage sind, die hohe kinetische Energie eines einfliegenden Insekts aufzunehmen. Die Zähigkeit dieser Fasern ist bisher unübertroffenen und kann auch von synthetischen Hochleistungsfasern wie Nylon oder Kevlar nicht erreicht werden (Tabelle).

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Natürliche Spinnenseide – ein robustes Bioprodukt

Spinnenseiden bestehen hauptsächlich aus Proteinen mit geringer Dichte, die biokompatibel sind und keine Immunogenität aufweisen. Da Spinnen aufgrund ihres stark territorialen Verhaltens nicht in großem Stil gezüchtet werden können und die Seidengewinnung aufwendig ist, wurden biotechnologische Verfahren entwickelt, um die Proteine großtechnisch herzustellen. Die so gewonnenen Proteine lassen sich in Lösung bringen und zu einer Vielzahl verschiedener Morphologien, wie beispielsweise Fasern, Folien, Partikeln, Schäumen oder Gelen verarbeiten. Aufgrund ihrer exzellenten mechanischen und medizinischen Eigenschaften, des etablierten Herstellungsverfahrens und der einfachen Prozessierbarkeit sind Biotechspinnenseiden marktfähige Biopolymere mit neuartigem Einsatzpotenzial.

Der Begriff Spinnenseide umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Seidentypen, da jede Spinnenspezies über ihr individuelles Seidenrepertoire verfügt. Alle Seidentypen sind aus Proteinen aufgebaut. Für gewöhnlich sind Proteine aus 20 natürlich vorkommenden L-Aminosäuren zusammengesetzt, die durch Peptidbindungen linear miteinander verknüpft werden. Im Stoffwechsel lebender Organismen übernehmen Proteine in Form von Hormonen, Enzymen oder Antikörpern hochspezifische Aufgaben, wobei eine spezielle räumliche Faltung der Aminosäureketten für die Funktionalität erforderlich ist [2].

Spinnen passen ihre Seide dem Einsatzzweck an

Seidenproteine hingegen sind hochrepetitive Strukturproteine, die in einer langgestreckten Form vorliegen und durch Assemblierung fibrilläre Nanostrukturen ausbilden [3]. Die hohe Zähigkeit von Spinnenseidenfasern basiert auf der Verknüpfung von hydrophilen und hydrophoben Blöcken in und zwischen den Einzelmolekülen, die sich zu amorphen und kristallinen Bereichen anordnen. Im Belastungsfall verformen sich die amorphen Bereiche, nehmen also Energie auf, während die kristallinen Bereiche eine hohe Zugfestigkeit gewährleisten.

Im Gegensatz zum Maulbeerspinner Bombyx mori, dessen Seide vor allem in Textilien eingesetzt wird, verfügen Radnetzspinnen über bis zu sieben verschiedene Seidenarten, die sich in ihren Eigenschaften stark unterscheiden und dabei hochspezifisch für unterschiedliche Aufgaben adaptiert sind. Jede dieser Seidenarten wird in einer separaten Drüse produziert. Allein für die Konstruktion ihres Netzes verarbeitet die Spinne bis zu fünf verschiedene Seidenarten (Bild 2), [4].

Für das stabile Grundgerüst des Netzes, also die Rahmenkonstruktion und die Speichen, verwendet die Spinne die sogenannte große Ampullenseide. Diese zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus und wird von der Spinne ebenfalls zur Selbstsicherung bei einem Sturz aus dem Netz eingesetzt.

Wandlungsfähiges Naturpolymer im Fokus der Forschung

Um ein hohes Maß an Sicherheit bei der Konstruktion und der Selbstsicherung zu gewährleisten, verfügt die Spinne über paarige Spinndrüsen, das heißt, sie verspinnt ein Doppelfilament. Bevor die Fangspirale angebracht wird, stabilisiert die Spinne die Konstruktion durch eine Hilfsspirale, die aus der sogenannten kleinen Ampullenseide besteht. Die Fangspirale muss in der Lage sein, die kinetische Energie eines einfliegenden Insekts aufzunehmen, ohne dabei zu reißen. Für diesen Zweck wird die Flagelliformseide verwendet, die eine hohe Dehnbarkeit besitzt. Um zu verhindern, dass die Beute vom Netz abprallt, werden die Fäden der Fangspirale häufig mit klebriger Aggregatseide beschichtet. Zum Verkleben der Fasern untereinander und zur Befestigung der Fäden an Oberflächen wird die Piriformseide der Spinne verwendet. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften ist besonders die große Ampullenseide von Interesse für technische und medizinische Anwendungen.

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].

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.

Erste Anwendungen von künstlichen Spinnenseidenvliesen

Exemplarisch wurden herkömmliche Filtersysteme deutlich verbessert, indem dünne Spinnenseidenvliese auf kommerzielle Filtergewebe gesponnen wurden [11]. Die feinporigen Vliese erhöhen die Filtereffizienz, wobei der Druckverlust durch die geringe erforderliche Schichtdicke des Vlieses niedrig ist und der Filter dadurch energieeffizienter arbeitet.

Spinnenseidenvliese eignen sich aber ebenso für den Einsatz im medizinischen Bereich. In einer Studie konnte man zeigen, dass sich das Wachstumsverhalten von Zellen auf Spinnenseidenvliesen mithilfe der Faserdurchmesser kontrolliert beeinflussen lässt [12], wobei Zellen auf Vliesen mit vergleichsweise kleinen Faserdurchmessern (D = 150 nm) nur schlecht wachsen. Diese Eigenschaft kann beispielsweise beim Einsatz von Wundabdeckungen genutzt werden, da die Vliese aufgrund ihrer kleinen Poren eine Barriere für Krankheitserreger von außen darstellen, jedoch sauerstoff- und feuchtigkeitsdurchlässig sind und dabei nicht ins heilende Gewebe integriert werden.

Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass Zellen auf Fasern mit größeren Durchmessern (D = 680 nm) gut wachsen. Solche Fasern könnten für die Rekonstruktion von Gewebe verwendet werden, da sie den Zellen eine künstliche extrazelluläre Matrix bieten, die aufgrund ihrer hohen Porosität die Diffusion von Nährstoffen zu den Zellen begünstigt (Bild 5).

Der Einsatz künstlicher Spinnenseidenproteine ist nicht nur auf die Herstellung von Fasern beschränkt. Wir konnten beispielsweise erfolgreich Implantatbeschichtungen aus künstlicher Spinnenseide herstellen, um die Bioverträglichkeit von Brustimplantaten zu verbessern [13]. Außerdem werden derzeit neue seidenbasierte Systeme zur kontrollierten Freisetzung medizinischer Wirkstoffe im Körper entwickelt [14].

Die Firma AM-Silk GmbH hat bereits mit der Marktetablierung von Produkten auf Spinnenseidenbasis begonnen – so setzt man die Seide einerseits in Produkten für Zellkultur aber auch in hautverträglichen Kosmetikartikeln ein. Dies ist allerdings erst der Anfang der Etablierung von spinnenseidenbasierten Produkten, denn das Multitasking Potenzial von Spinnenseide ist noch lange nicht ausgeschöpft. MM

Literatur

[1] F. G. Omenetto, D. L. Kaplan, Science 2010, 329, 528-531.

[2] S. SenGupta, T. Scheibel, in: Protein Folding and Misfolding, 2007.

[3] U. Slotta, S. Hess, K. Spiess, T. Stromer, L. Serpell, T. Scheibel, Macromol. Biosci. 2007, 7, 183-188.

[4] M. Heim, L. Roemer, T. Scheibel, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 156-164.

[5] C. Vendrely, T. Scheibel, Macromol. Biosci. 2007, 7, 401-409.

[6] K. Spiess, S. Wohlrab, T. Scheibel, Soft Matter 2010, 6, 4168-4174.

[7] F. Vollrath, D. P. Knight, Nature 2001, 410, 541-548.

[8] T. Scheibel, Biospektrum 2009, 15, 23-25.

[9] a) A. Greiner, J. H. Wendorff, Angew. Chem.-Int. Edit. 2007, 46, 5670-5703; b) E. Smit, U. Buttner, R. D. Sanderson, Polymer 2005, 46, 2419-2423.

[10] B. Sundaray, V. Subramanian, T. S. Natarajan, R. Z. Xiang, C. C. Chang, W. S. Fann, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 1222-1224.

[11] G. Lang, S. Jokisch, T. Scheibel, Journal of Visualized Experiments 2013, 75, e50492.

[12] A. Leal-Egana, G. Lang, C. Mauerer, J. Wickinghoff, M. Weber, S. Geimer, T. Scheibel, Adv Eng Mater 2012, 14, B67-B75.

[13] P. H. Zeplin, N. C. Maksimovikj, M. C. Jordan, J. Nickel, G. Lang, A. H. Leimer, L. Römer, T. Scheibel, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2658–2666.

[14] C. Blüm, A. Nichtl, T. Scheibel, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 763-768 DOI: 10.1002/adfm.201302100.

* Dipl.-Ing. Gregor Lang ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fakultät für Ingenieurwesen an der Universität Bayreuth in 95440 Bayreuth. Prof. Dr. Thomas Scheibel hat dort den Lehrstuhl für Biomaterialien inne. Tel. (09 21) 55 73-6 01, info@bm.uni-bayreuth.de, www.fiberlab.de

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