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Vegane Spinnenseide im nachhaltigen Laufschuh von morgen?

Ob wir ihr Antlitz nun lieben oder hassen – ihre besondere Fähigkeit sollte uns auf jeden Fall in Staunen versetzen. Die Spinne, die ihr Handwerk im Namen trägt, ist dazu in der Lage, das reißfesteste bekannte Naturmaterial herzustellen: Die (Spinnen-)Seide, die sogar um ein Vielfaches zäher ist als Hochleistungsstahl, Nylon oder sogar Kevlar. Das biologische Wundermaterial ist zudem nicht nur extrem leicht, reißfest und elastisch. Es ist auch steril und hat hygroskopische sowie torsionsdämpfende Eigenschaften, was es für zahlreiche industrielle Anwendungen hochinteressant macht.

Von der Protein-Lösung zum reißfesten Faden

Das Geheimnis des Spinnenfadens liegt in seiner Herstellung: Die Spinne lagert den Rohstoff, die Spidroine, zunächst in flüssiger Form je nach Spezies in bis zu sieben unterschiedlichen Spinndrüsen im Inneren ihres Hinterleibs – jeder Fadentyp hat spezifische Eigenschaften (z.B. besonders reißfest, dünn oder klebrig). Erst beim Weben des Netzes wird die Spinnlösung je nach Bedarf aus den unterschiedlichen Drüsen abgegeben und härtet an der Luft aus. Spidroine sind Proteine, die aus einer Kette von Einzelbausteinen, den Aminosäuren, bestehen. Sie werden in den Spinndrüsen zu Spidroin-Strängen zusammengesetzt und in flüssiger Form gelagert. Dabei unterscheiden sich die beiden Enden des Aminosäurestranges in eine sogenannte C- (Carboxylgruppe (–COOH)) und eine N-terminale (Aminogruppe (–NH2)) Domäne. Dazwischen befindet sich der sogenannte Kernbereich. Hier befinden sich Sequenzen aus zehn bis 360 Aminosäuren, die sich vielfach (bis zu hundertmal) wiederholen. Die Art und Anzahl der Wiederholungen dieser Sequenzen sind für jede Seidenart spezifisch und ausschlaggebend für die Reißfestigkeit und Dehnbarkeit des Fadens. So lassen sich zwei unterschiedliche Bereiche unterscheiden: Einige Sequenzen lagern sich in der sogenannten Sekundärstruktur zu β-Faltblättern zusammen – eine stabile, kristalline Struktur, die dem Faden mechanische Stärke verleiht. Wieder andere Bereiche sorgen für eine amorphe Matrix – ein umgebendes System ohne erkennbare Ordnung, weshalb diese besonders dehnbar und flexibel sind. Durch die Kombination der beiden unterschiedlichen Phasen entsteht somit quasi ein „verstärktes Gummiband“. Diese Spidroin-Strukturen werden beim Spinnen wiederum miteinander verbunden und verdrillt, sodass besonders verstärkte und reißfeste Strukturen entstehen. Solange das Protein in der salzigen Spinn-Lösung vorliegt, ist der Kernbereich jedoch zunächst insgesamt noch ziemlich ungeordnet. Die eigentliche Faserbildung findet im immer enger werdenden Spinnkanal statt: Hier werden die Ionen der Salzlösung ausgetauscht, der pH-Wert ändert sich und auch das Wasser wird entzogen, sodass sich die beschriebenen Strukturen bilden und zum festen Faden zusammenlagern. Gleichzeitig sorgt die Spinne durch Ziehen am Faden für Scher- und Elongationskräfte, die noch einmal die Struktur stärken.

Abbildung 1: Spinnenseide besteht aus einzelnen Proteinen, die sich durch mechanische und chemische Einflüsse während des Spinnvorgangs in der Spinndrüse zusammenlagern. Die Dynamik der Untereinheiten ist dafür ein wichtiger Faktor. Bild: Benedikt Goretzki, Ute Hellmich

„Vegane und rekombinante Seide“ – was ist das?

Mit seinen vielfältigen und erstaunlichen Eigenschaften ist Spinnseide für sehr viele verschiedene Industriebereiche interessant. Über die reine Zucht von Spinnen, die aufgrund von kannibalischem Revierverhalten auch äußerst schwierig ist, ist die große Menge an benötigtem Rohstoff jedoch nicht abzudecken. Deshalb haben Wissenschaftler die Gene der Spinne, die für die Seidenproteine codieren, untersucht und einige davon künstlich, also rekombinant, hergestellt (zum Teil auch um weitere Eigenschaften ergänzt). Mit diesen Genen modifizierte Bakterien- oder Hefezellen produzieren in großen Stahltanks so die gewünschten Spidroin-Proteine, die wiederum über verschiedene Spinnverfahren (Elektrospinnen oder Nassspinnen) zum veganen Seiden-Faden gesponnen werden.

Vom Implantat bis zum Laufschuh – Einsatz künstlicher Spinnenseide

Spinnenseide ist nicht nur flexibel, weich und gleichzeitig extrem reißfest, es ist auch sowohl biokompatibel und antiallergen als auch zu hundert Prozent biologisch abbaubar – deshalb gibt es viele Einsatzbereiche für Produkte auf Spinnenseidenbasis. Sie dient in der Medizin beispielsweise bereits als Matrix für die Zucht von Organen, wird bei der Regeneration von Knorpel und Knochen sowie beim Einsetzen von Implantaten oder als Nähfaden für Wunden eingesetzt. Auch in der Kosmetikindustrie findet das Biomaterial bereits Anwendung. Ein weiterer vielversprechender Bereich ist die Textilindustrie. In den allen hier genannten Bereichen ist das 2008 als Spin-off der Technischen Universität München (TUM) gegründete Münchner Biotech-Unternehmen AMSilk mit dabei. Als erstes Unternehmen produzierte es mittels eines patentierten biotechnologischen Verfahrens synthetische Seiden-Polymere in industriellem Maßstab. Diese werden in Form von Mikropartikeln, als Hydrogel oder als Biosteel®-Faser bereits in der Medizintechnik, in Kosmetika und auch in Textilien eingesetzt. Besonders im Bereich der Textilindustrie, die aufgrund ihres hohen ökologischen und sozialen Impacts als besonders wenig nachhaltig verschrien ist, kann das neue Material einen Beitrag leisten. „Unsere vollständig recyclebare Faser kann nach dem Lebensende eines Produktes, wie z.B. eines Sportschuhs, direkt in ein neues Produkt umgewandelt werden“, berichtet Andreas Schmideder, Manager RnD Projects der AMSilk GmbH. „So können wir es schaffen, im Textilsektor den Stoffkreislauf zu schließen.“ Und selbst, wenn die Textilien nicht in den Kreislauf zurückgeführt würden, entstehe zumindest kein Umweltproblem. „Denn im Gegensatz zu Fasern aus fossilen Rohstoffen ist Spinnenseide nachweislich schnell biologisch abbaubar – sowohl an Land durch Bodenbakterien als auch im Meerwasser – und belastet somit nicht die Umwelt.“

Abbildung 2: Der 2016 präsentierte Prototyp des adidas Futurecraft Biofabric Schuhs ist aus einem Obermaterial aus 100 % Biosteel®-Fasern gefertigt. Bild: adidas AG

Derzeit befindet sich die meiste Entwicklung noch im Prototyp-Stadium, wie zum Beispiel ein mit dem Unternehmen adidas entwickelter Laufschuh, doch auch ein erstes Uhrenarmband, das von der Marke OMEGA vertrieben wird, ist bereits auf dem Markt erhältlich. Nach einer weiteren Finanzierungsrunde im ersten Halbjahr 2021 befindet sich AMSilk nun voll in der industriellen Skalierung sowie in der Erschließung neuer Märkte. „So möchten wir die besten nachhaltigen Biomaterialien für jeden zugänglich machen“, berichtet Schmideder. Auch mit Partnern unter anderem aus der Luftfahrt laufen derzeit vielversprechende Kooperationsprojekte rund um die ultraleichte und hochstrapazierfähige Biotech-Faser. „Wir sind überzeugt, dass wir mit den derzeitigen Anwendungen das Potential unserer Seidenpolymere noch lange nicht vollständig ausgeschöpft haben“, berichtet Schmideder. „Und so freuen wir uns sehr darauf, zusammen mit bestehenden und zukünftigen Partnern weitere Industrien zu verändern und so ein nachhaltigeres Leben von mehr und mehr Konsumenten zu ermöglichen.“

 

Anne Hachmann

anne.hachmann[at]googlemail.com

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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