Ohne unsere Selbstheilungskräfte wären wir schnell „kaputt“, denn ständig entstehen durch die verschiedenen Belastungen Schäden in der Haut, den Muskeln oder in anderen Geweben unseres Körpers. Diese biologische Fähigkeit zur Selbstreparatur versuchen Wissenschaftler bereits seit einiger Zeit auf künstliche Substanzen zu übertragen. Besonders die Robotik könnte von weichen Materialien mit Selbstheilungskräften profitieren. Denn wenn die „Technowesen“ eines Tages Menschen in komplexen Umgebungen unterstützen sollen, müssen sie flexible Elemente besitzen und möglichst wenig reparaturanfällig sein. Einige Kreationen der sogenannten Softrobotik sind sogar komplett aus weichen Materialien aufgebaut. Aber auch Industrieroboter, Beinprothesen, Beatmungsgeräte und Schutzausrüstungen benötigen elastische Elemente, die Bewegungsenergie aufnehmen können.
Doch diese weichen Teile sind empfindlich oder entwickeln bei ständiger, sich wiederholender Bewegung winzige Risse und Sprünge und brechen schließlich. Mit einem selbstheilenden Material könnten die anfänglich kleinen Defekte kontinuierlich repariert werden, bevor es zu einem Versagen kommt. Es wurden zwar bereits Substanzen entwickelt, die Beschädigungen selbst reparieren können, doch sie lassen zu wünschen übrig: Die Moleküle bisheriger verformbarer selbstheilender Materialien brauchen mehrere Stunden oder sogar Tage, um sich wieder miteinander zu verbinden. Oft resultiert dies zudem in einer geringeren Festigkeit an der Stelle, an der das Material durchbrochen wurde.
Vorbild Tintenfisch
„Unser Ziel war es deshalb nun, mithilfe der synthetischen Biologie ein selbstheilendes Material zu kreieren, dessen physikalische Eigenschaften wir kontrollieren können”, sagt Melik Demirel von der Pennsylvania State University in University Park. Er und seine Kollegen nutzten dabei ein Vorbild aus der Natur: Sie untersuchten zunächst die Merkmale und Bildungsgrundlagen eines selbstheilenden Gewebes bei Tintenfischen. Es bildet die ringförmigen Zähnchenstrukturen in den Saugnäpfen, mit denen die Meeresräuber Beutetiere festhalten. Wenn diese stabilen Proteinstrukturen beschädigt werden, können sie sich selbst heilen, indem sie sich erneut miteinander verbinden.
Den Forschern ist es schließlich gelungen, durch Verfahren der synthetischen Biologie dieses Material nicht nur nachzubilden, sondern es auch für technische Anwendungen und die Herstellung zu optimieren. Es ließ sich dadurch in herkömmlichen bakteriellen Bioreaktoren produzieren. Wie sie erklären, verbinden sich die biologischen Polymerstrukturen anschließend zu einem flexiblen, gummiartigen Material mit Eigenschaften, die bisherige selbstheilende Materialien deutlich übertreffen, und nicht nur das: „Wir veränderten die molekulare Struktur so, dass wir die Selbstheilungskräfte des Materials sogar auf die Spitze treiben konnten“, sagt Demirel. „Wir haben die natürlicherweise 24-Stunden dauernde Heilungsphase auf eine Sekunde verkürzt. Unsere Technologie stellt damit die Natur in den Schatten“, so der Wissenschaftler.
