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Vielleicht schon bald erhältlich: elastische Faltenfüller, inspiriert von springenden Insekten

Dank einer unglaublichen Elastizität können Flöhe springen und Mücken 600 Mal pro Sekunde mit ihren Flügeln schlagen. Durch ein elastisches Polymer (Elastomer), das nur aus einem kleinen Fragment des natürlichen Proteins (Resilin) hergestellt wird, kann diese Elastizität in zahlreichen Anwendungen zu wettbewerbsfähigen Preisen genutzt werden.

Grundlagenforschung
Gesundheit

Resilin ist ein natürliches, gummiartiges Protein mit einer hervorragenden Elastizität, die für die Flug- und Springfähigkeiten von Insekten entscheidend ist. Normalerweise ist es ungeordnet, wird als Reaktion auf Stress aber geordnet – und elastisch. Kürzlich entdeckten Forschende, dass sie dieses Verhalten nachbilden können, indem sie nur einen kleinen Teil des ursprünglichen Peptids verwenden. Das EU-finanzierte Projekt MINIRES ermöglichte ihnen, den Weg für eine groß angelegte Produktion innovativer Bioelastomere für Kunststoffe, biomedizinische Anwendungen und Körperpflegemittel zu einem Bruchteil der derzeitigen Kosten zu ebnen.

Reduzierung der gummiartigen Elastizität von Insekten auf wenige Aminosäuren

Halogene enthalten Fluor, Chlor, Brom und Jod. Der Austausch eines Wasserstoffs mit einem Halogen (Halogenierung) ist in der organischen Chemie eine sehr wichtige Reaktion. Für seine Rolle bei der Produktion von Biogelen erhielt dieser Vorgang innerhalb der letzten zehn Jahre immer mehr Aufmerksamkeit. Projektkoordinator Pierangelo Metrangolo vom Polytechnikum Mailand erklärt: „Wir konzentrierten uns auf eine gut erhaltene, sich wiederholende Einheit von sieben Aminosäuren in Resilin. Durch eine strategische Halogenierung dieser Einheit mit zwei Bromatomen demonstrierten wir die Entstehung eines viskoelastischen Verhaltens, das dem des gesamten Proteins ähnelt und im natürlich vorkommenden Peptid nicht beobachtet werden kann.“ Die Halogenierung führte zu einer organisierteren Anordnung des Peptids, wodurch es Fibrillen bilden konnte. Daraus ergab sich ein dichtes Hydrogel. Das Gel, das aus einem Heptapeptid besteht, wies viskoelastische und selbstheilende Eigenschaften auf, die an die des vollständigen Resilinproteins erinnern.

Kostensenkung und geringere Produktionskomplexität

Metrangolo weiter: „Derzeit im Handel erhältliche Elastomere sind große, komplexe Polymere, deren Elastizität von der kovalenten Bindung zwischen Untereinheiten abhängt, die üblicherweise durch chemische oder lichtinduzierte chemische Reaktionen eingeführt werden. In unserem sehr kurzen Peptid bauen wir auf physische Quervernetzungen, die durch die Nutzung von Halogenatomen als ‚klebrige‘ Stellen erstellt werden. Die Produktion dieser einfachen Molekularstruktur ist unkompliziert und kostengünstig.“ Forschende weiteten die künstliche Herstellung des Peptids vom Labormaßstab auf die Größenordnung von zehn Gramm aus. Die berechneten Kosten sind hundertmal niedriger als die der Produktion des gesamten Proteins.

Ein Meer voller Möglichkeiten

Aus den Forschungsergebnissen von MINIRES ging ein Patent für die Technologie hervor. Das Team erkannte drei wichtige Marktmöglichkeiten: Füllmaterialien für die Faltenunterspritzung im Gesicht und Haarpflegeprodukte, thermoplastische Elastomere und Biomedizin. Es wird erwartet, dass die Branche der biologischen Körperpflege und kosmetischen Erzeugnisse bis 2022 einen Wert von 19,8 Mrd. USD erreicht, wovon Hautpflegeprodukte für mehr als 30 % stehen, gefolgt von Haarpflegeprodukten. Die Zufallsentdeckung, dass das bromiertes Peptid vor UVA-Schäden schützt, macht es für die Hautpflege noch interessanter. Aufgrund der ausgezeichneten Eigenschaften sowie der niedrigen Kosten der MINIRES-Gele könnte die Gruppe bald zu den weltweiten Marktführern auf dem riesigen Markt der thermoplastischen Polymere werden. Schließlich könnten die MINIRES-Peptide auch in Medizinprodukten und Biogerüsten eingesetzt werden. Zwar ist das Projekt jetzt abgeschlossen, doch Innovationen und Entdeckungen florieren. „Während der Laufzeit des Projekts entdeckten wir auch, dass unser bromiertes Peptid erfolgreich mit anderen Biomakromolekülen kombiniert werden kann. Im Mittelpunkt der künftigen Forschung werden neue Hybridmaterialien mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit und maßgeschneiderten Eigenschaften stehen“, so Metrangolo. Kürzlich gewann das Team den Innovationswettbewerb Switch2Product 2017, der die Markteinführung innovativer Ideen unterstützt. Jetzt gibt Metrangolo Gas, um neuartige, von der Natur inspirierte Makromoleküle mit fein abgestimmten Eigenschaften für gezielte Anwendungen zu liefern.

Schlüsselbegriffe

MINIRES, Peptid, Protein, elastisch, Elastizität, Polymer, Resilin, Aminosäure, Brom, Halogen, ökologisch, Elastomer, thermoplastisch, kosmetisch, Selbstorganisation, Biogel, Bromierung

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