Von Proteinen zu formveränderndem Kunststoff
Kunststoffmaterialien sind haltbar und leicht und finden häufig im Gesundheitswesen, der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie in Verpackungen Anwendung. Doch weniger als 10 % des produzierten Kunststoffes werden wiederverwertet, was zur Umweltbelastung beiträgt. Daher wird biobasierter Kunststoff benötigt, der nach seiner Nutzungsdauer wiederverwertet oder abgebaut werden kann. Das würde die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen abschwächen und Materialien mit einem nachhaltigen Lebenszyklus fördern.
Eine innovative Strategie für proteinbasierte Biokunststoffe
Vor diesem Hintergrund hat das EU-finanzierte Projekt 4D-Biogel die Herstellung von Kunststoffmaterialien aus biologisch abbaubaren Polymeren mit biologischer Herkunft vorangetrieben. Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) unterstützt. „Wir haben proteinbasierte Materialien entwickelt, die deren biologischen und nicht-biologischen Funktionen nachbilden, darunter physikalische Eigenschaften wie die mechanische Stärke“, erläutert der MSCA-Stipendiat Haritz Sardon. Die Innovation hinter der 4D-Biogel-Strategie besteht darin, dass die Forschenden die Faltmöglichkeit von Proteinen ausnutzten. Mit Hitze und Wasser als Stimuli konnten sie die Form der geschaffenen Materialien verändern und ihnen so Plastizität und Elastizität verleihen. Die damit verbunden raumzeitlichen Veränderungen der Materialien boten ihnen eine vierte Dimension: Zeit.
Serumalbumin als neuer Bestandteil von Biokunststoffen
Um Einschränkungen der Verarbeitbarkeit und mechanischen Leistung zu überwinden, produzierten die Forschenden einen Harz auf der Grundlage von bovinem Serumalbumin (BSA). BSA ist ein reichhaltig verfügbares und günstiges Protein, das leicht gedruckt werden kann, um Biokunststoffe mit nützlichen Eigenschaften zu erstellen. Sie erreichten 3D-Geometrien proteinbasierter Materialien mit hoher Auflösung, indem sie ein 3D-Druckverfahren einsetzten, das als Laser-Stereolithographie bekannt ist. Dabei werden Proteinharze mit Licht chemisch vernetzt. Das Team fand heraus, das BSA seine kugelförmige native Gestalt in den 3D-gedruckten Biokunststoffkonstrukten erhält. Interessanterweise enthielten diese Proteine eine gespeicherte Länge, die bei Stimulierung entfaltet werden kann. Dieses formverändernde Verhalten kann umgekehrt werden, indem die Objekte erhitzt oder in Wasser eingetaucht werden. So nehmen sie ihre ursprüngliche 3D-gedruckte Form wieder an. Die Forschenden gingen noch einen Schritt weiter und kombinierten diese Biokunststoffe mit Gold-Nanopartikeln. Diese können nicht-invasives Licht im Nahinfrarotbereich in Wärme umwandeln und die Form der Biokunststoffe verändern. „Das wird die Anwendung dieser Materialien im Körper nachhaltig verändern, da wir diese Formveränderung jetzt mit einer nicht-invasiven, sehr durchdringenden Lichtquelle anregen können“, erläutert Sardon.
Auf dem Weg zu einer umweltfreundlicheren additiven Fertigung
Der 3D-Druck industriell produzierter Objekte heißt additive Fertigung. Bei dieser werden CAD eingesetzt, um Materialien Schicht für Schicht gemäß des angegebenen 3D-Modells aufzutragen. Trotz des großen Potenzials der additiven Fertigung bestehen Probleme hinsichtlich der Nachhaltigkeit, die bewältigt werden müssen. Der Einsatz biobasierter Moleküle als Grundlage für Harze und Tinten fördert die Wiederverwertung und steigert die Nachhaltigkeit der additiven Fertigung. Die Ergebnisse von 4D-Biogel leisten einen bedeutenden Beitrag zur umweltfreundlichen additiven Fertigung dank der Harze biologischen Ursprungs, die ähnliche mechanische Eigenschaften aufweisen wie kommerzielle Kunststoffe. Auch wird das formverändernde Verhalten der proteinbasierten Biokunststoffe bei der Produktion medizinischer Ausrüstung wie Implantate und Stents nützlich sein. Die dynamische Natur dieser Strukturen könnte auch in anderen Bereichen wie der Robotik und Bioelektronik Anwendung finden.
Schlüsselbegriffe
4D-Biogel, Proteine, Biokunststoffe, additive Fertigung, DSA, 3D-Druck, Formveränderung, biologisch abbaubar, bovines Serumalbumin