Bionik: Bakterien als Bauarbeiter

Bionik Rotalgen

Biofilme sind ein Gemisch aus Algen, Pilzen oder Bakterien. Wegen möglicher Gefahren für Mensch oder Material werden sie meist als Problem gesehen. Forscher untersuchen stattdessen das Potenzial der Biofilme: Sie könnten bspw. zur Herstellung von Strukturschablonen für neue Werkstoffe eingesetzt werden.

Für viele technologische Entwicklungen lieferte die Natur die Blaupause – Flugzeugflügel, der Klettverschluss oder die Oberflächenversiegelung per Lotuseffekt. Die Nachbauten erreichen aber nicht die strukturelle Komplexität des natürlichen Originals.

„In der Natur finden sich viele Materialien mit Eigenschaften, die künstliche Stoffe in dieser Form nicht erreichen“, sagt Professor Cordt Zollfrank. Er forscht mit seinem Team am Lehrstuhl für Biogene Polymere am TUM Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit (TUM CS) an Grundlagen für die Entwicklung neuer Werkstoffe.

Schnittstelle zwischen Biologie und Technik

Als Schnittstelle zwischen Biologie und Technik sucht die Bionik nach dem Vorbild der Natur Lösungen für technische Probleme. So lange die Forschung sich darauf beschränkte, die Formen aus der Natur – wie z.B. bei der Konstruktion von Flugzeugflügeln oder Schiffsrümpfen – als Vorlage für ihre Entwicklungen zu nehmen, hielten sich die Probleme in Grenzen. Anders ist es bei der Nachahmung der Materialeigenschaften natürlicher Baustoffe. Diese sind in den inneren Strukturen verankert, wo Fasern über viele Größenordnungen und über verschiedene hierarchische Ebenen miteinander verknüpft sind.

Auf den kleinsten Ebenen – vor allem auf der Nanometer-Skala – dieser Hierarchien finden sich meistens die Hauptursachen der mechanischen Materialeigenschaften:  Elastizität, Festigkeit oder Zähigkeit. Das ist auch das Problem bei der Übertragung auf technische Problemlösungen. Wenn die Mikroorganismen selbst oder ihre Ausscheidungen den Werkstoff bilden, werden die technisch schwierigen komplexen Vernetzungen gleich mitgeliefert.

Zukunft der Bionik

Die Forscher der TU München beschreiben daher eine Reihe von Verfahren aus der Biologie, die mit Licht, Wärme, speziell präparierten Substraten oder anderen Reizen die Bewegungsrichtung von Mikroorganismen in ganz bestimmte Bahnen leiten. „Für die Materialforschung sind diese Erkenntnisse aus der Biologie zur Mikrobensteuerung durch gezielte Reize zukunftsweisend“, sagt Professor Cordt Zollfrank. „Denn damit besteht die Möglichkeit, aus den Mikroben selbst oder ihren Sekreten maßgeschneiderte Schablonen für neue Materialien mit natürlichen Strukturen herzustellen.“ 

Einige dieser Methoden wendet das Forscherteam bereits erfolgreich an. So nutzen die Wissenschaftler die speziellen Eigenschaften von Rotalgen. Deren Bewegungsrichtung hängt vom Lichteinfall ab und sie produzieren Ketten aus Zuckermolekülen. Die Forscher arbeiten mit zeitlich veränderlichen Lichtmustern, die sie in das Nährmedium der Algen projizieren. So gewinnen sie aus den langen, feinen Polymerfäden maßgeschneiderte Schablonen, die für die Herstellung von Funktionskeramiken verwendet werden.

Das Anwendungsfeld der Methode ist breit. Es reicht von Elektroden für Batterien über neue Bildschirm- und Displaytechnologien bis hin zu Anwendungen in der Medizin, etwa als Knochen- und Gewebeersatz. Das Wachsenlassen komplexer Mikrostrukturen wie ganzer Bauteile und anderen hierarchisch strukturierten Materialien liegt zwar noch im Bereich des Visionären, rückt aber durch die Grundlagenforschung in Reichweite.

Bild: Rotalgen bewegen sich zum Licht hin und scheiden Ketten aus Zuckermolekülen aus. (Foto: v. Opdenbosch/TUM)