Gerade in der Erkältungszeit erfreut sich Schleim nicht gerade größter Beliebtheit. Er trieft aus der Nase, drückt im Kopf und verstopft unsere Atemwege. Doch tatsächlich ist Schleim wichtig für unsere Gesundheit. Er hält unsere Schleimhäute feucht und geschmeidig, schützt sie vor chemischen und mechanischen Schäden und hält Krankheitserreger ab – oder befördert sie beispielsweise bei einer Erkältung nach außen.
„Die vorteilhaften Materialeigenschaften und die Bioaktivität von Schleim sind auf Glykoproteine zurückzuführen, die so genannten Muzine“, erklärt ein Team um George Degen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. „Viele der vorteilhaften Eigenschaften von Muzinen übersteigen die Möglichkeiten synthetischer Materialien und wären für biomedizinische Anwendungen wünschenswert.“ Dafür ist es jedoch wichtig, dass die entsprechenden Substanzen auf vielen verschiedenen Oberflächen haften können.
Inspiriert von Muscheln und Schleim
Um dieses Ziel zu erreichen, haben Degen und sein Team Muzine mit einem weiteren natürlichen Supermaterial kombiniert: den klebrigen Polymeren, mit denen sich Meeresmuscheln unter Wasser an Felsen oder Schiffen festhalten. „Muscheln sind in der Lage, Materialien abzusondern, die innerhalb von Sekunden bis Minuten auf nassen Oberflächen haften“, sagt Degen. „Diese natürlichen Materialien haften besser als kommerzielle Klebstoffe, insbesondere auf nassen Oberflächen und unter Wasser, was seit Langem eine technische Herausforderung darstellt.“
Die besonderen Eigenschaften des Muschelklebers beruhen auf verschiedenen Proteinen, die sich miteinander vernetzen und zu einem klebrigen Gel verfestigen. Degen und seine Kollegen fokussierten sich auf zwei chemische Gruppen, sogenannte Catechole und Thiole, die beide für die Vernetzungen im Muschelklebstoff wichtig sind. Auch Muzine vernetzen sich auf ähnliche Weise, um die Struktur des Schleims zu unterstützen. „Wir haben die molekularen Mechanismen identifiziert, die die Gelierung und die Haftung an Oberflächen steuern“, berichtet das Team.
Flexible Vernetzung
Auf dieser Basis entwickelten die Forschenden einen neuartigen Klebstoff, der die Eigenschaften von Muschelkleber und Schleim verbindet. Für verschiedene Ansätze nutzten Degen und sein Team Muzine aus den Schleimhäuten von Schweinen und Rindern sowie synthetische Polymere, die die Struktur von Muschelpolymeren nachahmen. Daraus erstellten sie Hydrogele, die unterschiedlich viele der für die Vernetzung wichtigen Thiol-Gruppen enthielten.
Für jede Variation beobachtete das Team, wie schnell sich die einzelnen Bestandteile des Hydrogels miteinander vernetzen, wie schnell sie aushärten und auf welchen Oberflächen sie haften. „Je nach Vernetzungsgrad können wir die Geschwindigkeit steuern, mit der die Flüssigkeiten gelieren und haften“, erläutert Co-Autor Rainer Haag von der Freien Universität Berlin. „Das funktioniert auf nassen Oberflächen, bei Raumtemperatur und unter sehr milden Bedingungen.“ Je nach Zusammensetzung des Hydrogels dauert die Gelierung Sekunden bis Stunden.
