Sei es in der Chirurgie oder in der Tiefseeforschung: Klebstoffe, die auch auf nassen Oberflächen zuverlässig haften, werden in vielen Bereichen benötigt. Doch die Entwicklung solcher Hydrogele ist schwierig, denn anders als bei festen Materialien lassen sich ihre Eigenschaften kaum anhand ihrer Struktur vorhersagen. Stattdessen müssen sich Forschende bislang üblicherweise auf Versuch und Irrtum verlassen – ein zeitaufwendiger und teurer Prozess, an dessen Ende sich durchaus herausstellen kann, dass keines der getesteten Materialien die gewünschten Eigenschaften aufweist.
Natürliche Vorbilder
Ein Team um Hongguang Liao von der Hokkaido Universität in Japan hat nun eine Möglichkeit gefunden, mit Hilfe künstlicher Intelligenz funktionale Hydrogele zu entwickeln – in diesem Fall leistungsfähige Unterwasserklebstoffe. Als Grundlage dienten natürliche Vorbilder: Die Forschenden durchsuchten einen Datensatz mit den Sequenzen von 24.707 adhäsiven Proteinen, die natürlicherweise in Organismen wie Bakterien, Pilzen, Muscheln und Schnecken vorkommen und ihnen helfen, auf nassen Oberflächen zu haften. „Trotz ihrer Vielfalt haben diese Proteine gemeinsame Sequenzmuster, die wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung von Unterwasserklebstoffen liefern“, erklären die Forschenden.
Diese gemeinsamen Sequenzmuster, also kleine Abschnitte innerhalb der Proteine, die für die Klebewirkung verantwortlich sind, identifizierten Liao und sein Team in einem ersten Schritt. Mit diesem Wissen synthetisierten sie 180 Hydrogele, die genau diese Klebesequenzen enthielten. In experimentellen Tests zeigte sich anschließend, dass mehr als die Hälfte der auf diese Weise entwickelten Hydrogele tatsächlich besser hafteten als vergleichbare bisherige Klebstoffe. Im nächsten Schritt trainierten die Forschenden eine künstliche Intelligenz mit den Daten dieser 180 Hydrogele. In insgesamt drei Runden maschinellen Lernens ließen sie die KI neue, optimierte Unterwasserklebstoffe entwickeln. Den jeweils stärksten Kandidaten aus jeder dieser Runden synthetisierten sie und unterzogen ihn weiteren experimentellen Tests.
Stark, haltbar und mehrfach verwendbar
Und tatsächlich: Alle drei von der KI vorgeschlagenen Klebstoffe wiesen eine um ein Vielfaches stärkere Klebekraft auf als alle bisher verfügbaren Hydrogele zur Unterwasserhaftung. Mit einer Haftfestigkeit von mehr als einem Megapascal könnte ein briefmarkengroßes Stück der neu entwickelten Hydrogele einen durchschnittlichen Erwachsenen halten. Die Hydrogele haften zudem sofort auf verschiedenen Oberflächen, lassen sich rückstandsfrei wieder ablösen und behielten ihre Haftkraft in Experimenten auch über 200 Anhaftungs- und Ablösezyklen bei, wie Liao und seine Kollegen berichten. Wasser verschiedenen Salzgehalts ist für die Klebstoffe ebenfalls kein Problem.
