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Branchenübergreifender Einsatz von biopolymeren

Natürliche Hightech-Fasern

Die Natur bietet einen enormen Reichtum an Polymeren. Mit ausgefeilten Technologien lassen sie sich beispielsweise als Fasern nutzen und in innovative Produkte verwandeln. Gleichzeitig tragen die natürlichen Werkstoffe zu mehr Nachhaltigkeit bei.

Spezialfaser im Papier – Der Querschnitt beeinflusst die Fasereigenschaften. Flache Viskosefasern wie „Leonardo“ von Kelheim Fibres wurden für den Papierbereich entwickelt. (© Kelheim Fibres) vergrößern

Spezialfaser im Papier – Der Querschnitt beeinflusst die Fasereigenschaften. Flache Viskosefasern wie „Leonardo“ von Kelheim Fibres wurden für den Papierbereich entwickelt. (© Kelheim Fibres)

Sturmböen zerren vergeblich an den feinen Spinnennetzfäden. Denn Spinnenseide ist ein Hightech-Garn: Die Biofasern sind reißfester als Stahlseile und dehnbarer als Nylonfasern. Vor allem unachtsame Insekten spüren die Kraft, wenn sie sich im Flug darin verfangen. „Bevor ein Spinnenfaden reißt, kann er dreimal mehr Energie aufnehmen als Kevlar, ein Hochleistungsmaterial, das beispielsweise in kugelsicheren Westen steckt“, erklärt Prof. Dr. Thomas Scheibel von der Universität Bayreuth.

Die Belastbarkeit des Biowerkstoffs ist enorm – und das, obwohl eine Spinnenfaser mit wenigen Mikrometern Durchmesser um einiges dünner ist als ein menschliches Haar. „Durch die Kombination aus Stabilität und Dehnbarkeit ist die Spinnenseide den meisten bekannten Fasermaterialien vielfach überlegen“, so Scheibel. Schon seit mehr als zehn Jahren beschäftigt er sich mit dem stabilen Faden der Achtbeiner und tüftelt daran, wie sich diese faszinierende Faser künstlich herstellen lässt.

Spinntechnologie – Das junge Unternehmen AMSilk produziert biotechnologisch künstliche Spinnenseidenfasern. Sie sollen etwa für chirurgisches Nahtmaterial oder Sportartikel verwendet werden. (© AMSilk GmbH)

„Begonnen hat alles mit der fingerkuppengroßen heimischen Gartenkreuzspinne“, sagt Scheibel. Mittlerweile haben er und sein Team an der Universität Bayreuth ein paar Dutzend der Krabbeltiere in ihren Labors. Sogar zwei brasilianische Riesenspinnen bewohnen die Terrarien. „Uns interessiert vor allem die Diversität der Spinnen und der von ihnen produzierten Seiden. Denn je nach Herkunft haben die Achtbeiner ihre Fasern den Gegebenheiten angepasst“, so Scheibel.

Eine Wüstenspinne benötigt selbstverständlich einen Faden mit ganz anderen Eigenschaften als ein Exemplar, das im tropischen Regenwald seine Beute fangen will. Bislang war es jedoch unmöglich, die natürliche Hightech-Faser in größeren Mengen zu produzieren, denn Spinnen lassen sich nicht im großen Maßstab züchten wie beispielsweise Seidenspinnerraupen.

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Komplizierte Herstellung einer Superfaser

Deswegen beschäftigen sich Forschergruppen rund um den Globus mit dem künstlichen Nachbau der Spinnenseide. Die Strategie von Scheibel und seinem Team ist die biotechnologische Produktion der Seidenmoleküle mithilfe von Bakterien. Eine weitere Herausforderung: Spinnen produzieren nicht nur eine Seide, sondern haben immer ein ganzes Faden-Portfolio parat – abhängig von der Funktion im gesponnenen Netz. Und diese Vielfalt macht auch die künstliche Produktion der Biofaser besonders anspruchsvoll. Das bekannte Radnetz besteht im Wesentlichen aus fünf Seidenarten. Die Rahmenkonstruktion und die Speichen des Netzes baut die Spinne aus einer stabilen, aber nicht ganz so dehnbaren Seide, damit das Netz Wind und Wetter trotzen kann. Um die Stabilität zu erhöhen, setzen Spinnen zudem Doppelfäden ein.

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Die Herausforderung: rekombinant hergestellte Proteine spinnen

Die Fangspirale besteht aus einer zweiten Fadensorte. Diese ist extrem dehnbar und nimmt die Energie des hineinfliegenden Insekts auf. Eine dritte Seidenfaser dient als Verstärkung für die Fangspirale, und zwei weitere Fadenarten benötigt die Spinne zur Befestigung am Untergrund sowie als Klebstoff auf den Fangspiralfäden.

In Polynesien werden etwa Netze von Radnetzspinnen zwischen gebogene Äste gespannt, die als Kescher zum Fischfang dienen. „In der Antike entdeckte man zudem, dass Spinnenseide keine Entzündungsreaktionen oder Allergien beim Menschen hervorruft. Deswegen wurde sie als Wundverband für Hautverletzungen eingesetzt“, sagt Scheibel. Und die vielfältigen Spinnenseiden-Anwendungen für die Medizintechnik, Kosmetik oder Textilindustrie sind jetzt in greifbare Nähe gerückt: Das Unternehmen AMSilk aus Martinsried bei München hat basierend auf Scheibels Forschungsarbeiten den ersten Prototyp einer Spinnenseidenmaschine aufgebaut.

In enger Kooperation haben die Wissenschaftler und Ingenieure erforscht, wie die Achtbeiner das flüssige Seidenprotein in wenigen Millisekunden zu einem festen Faden formen, der nicht verklumpt. „In der Spinndrüse liegen die Moleküle in wässriger Lösung vor – ohne Struktur, aber mit räumlicher Vor-Orientierung“, erklärt Scheibel. „Erst während der Fadenproduktion bildet sich eine 3-D-Struktur mit hochkristallinen, sehr stabilen Bereichen und dehnbaren, amorphen Abschnitten“, so der Forscher.

Seidiger Schimmer – Verflüssigte Spinnenseidenproteine kommen unter anderem in Kosmetika zum Einsatz – und sorgen für Glanz auf Haut und Haaren. (© istockphoto/Famke Backx)

Zunächst analysierten die Bayreuther Wissenschaftler die genaue Erbinformation des Seidenproteins. Dann schleusten sie diese in Bakterien ein, die das Eiweiß produzieren. Es lässt sich extrahieren und als weißes Pulver einfach lagern und bei Bedarf weiterverarbeiten. Zum Beispiel für Kosmetika: Dabei wird das verflüssigte Spinnenseidenprotein eingesetzt, um Haut oder Haaren einen seidigen Glanz zu verleihen. Für Fasern sehen die Experten vor allem in der Medizintechnik und bei pharmazeutischen Anwendungen großes Marktpotenzial. Denn Spinnenseidenproteine werden vom Immunsystem nicht als Fremdkörper wahrgenommen. So ließen sich die Oberflächen von Implantaten beschichten und dadurch Abwehrreaktionen des Körpers verhindern – zum Beispiel sind seidenbeschichtete Brustimplantate aus Silikon gerade im Zulassungsprozess für die Markteinführung. Aber auch Wundverbände, Nahtmaterial oder die Geweberegeneration sind potenzielle medizinische Anwendungen.

Für die Faserproduktion muss zunächst eine Spinnlösung hergestellt werden, die sich dann in einem technischen Prozess zu endlosen Fasern verspinnen lässt. Auf Spulen aufgewickelt warten die künstlichen Spinnenseidenfasern dann auf ihre weitere Verarbeitung. Was sich so einfach anhört, ist in Wirklichkeit das Ergebnis jahrelanger und akribischer Forschungsarbeit, die Scheibel gern mit einem komplexen Lego- Gebäude vergleicht: „Im Prinzip haben wir ein molekulares Empire State Building in einzelne Klötzchen zerlegt und einen technischen Bauplan dafür entwickelt.“ Mit Erfolg: Im März 2013 konnten die Bayreuther Forscher gemeinsam mit AMSilk in München die erste naturidentische, biotechnologisch produzierte Spinnenseidenfaser im industriellen Maßstab vorstellen.

Naturnahes Talent – Viskose besteht aus Zellulose, die aus Holz gewonnen wird. Die natürliche Kunstfaser hat ähnliche Eigenschaften wie Baumwolle. (© Kelheim Fibres)

Vom Eukalyptus zur Viskosefaser

Ebenso ist der nachwachsende Rohstoff Holz ein interessantes Ausgangsmaterial für biobasierte Produkte. Daraus lassen sich unter anderem Viskosefasern gewinnen. „Viskose ist ein reiner Naturstoff und besteht ähnlich wie Baumwolle zu 100 Prozent aus Zellulose“, erklärt Walter Roggenstein von Kelheim Fibres. Deswegen werden die Fasern unter anderem in Textilien eingesetzt, zu Vliesstoffen und Spezialpapieren verarbeitet.

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Spinnenseide für Wundverbände, Viskose für das Laufshirt

Aber auch ganz neue Anwendungsbereiche sollen in Zukunft für Viskosefasern erschlossen werden, etwa moderne Sportbekleidung. „Viskose, auch als Kunstseide bekannt, wurde bereits vor mehr als 100 Jahren erfunden. Doch die Biofaser bietet heute mehr Modifikation denn je“, sagt Roggenstein. Denn das natürliche Polymer Zellulose besitzt viele reaktive Molekülgruppen und lässt sich dadurch chemisch verändern.

Aber zuerst muss das Holz aufbereitet werden. Vor allem schnellwachsende Eukalyptusbäume bilden einen Großteil der Rohstoffbasis. Aus ihrem Holz wird Zellstoff gewonnen, der keine störenden Holzbestandteile wie Lignin enthält. Die Viskose-Spezialisten von Kelheim Fibres stellen aus dem Zellstoff zunächst eine sirupartige, alkalische Spinnlösung her. „Diese viskose Masse pressen wir dann durch feine Löcher von etwa 40 Mikrometern Durchmesser und fällen die Zellulose in einem sauren Spinnbad wieder aus“, erklärt Roggenstein. „Dabei bilden sich die dünnen Viskosefasern.“

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Die Faser mit speziellen Eigenschaften ausstatten, ohne sie zu schwächen

Während des Prozesses können die Viskose-Spezialisten Additive zudosieren und den späteren Fäden so zusätzliche Funktionen verleihen. Beispiel Phase-Change- Materialien: Dabei werden mit Wachs gefüllte Mikrokapseln in die Fasern integriert. Die daraus hergestellten Gewebe eignen sich optimal für Sportbekleidung, denn „sobald die Körpertemperatur steigt, schmilzt das Wachs im Innern der Kügelchen“, so Roggenstein. Die dafür benötigte Wärme wird der Umgebung entzogen, der Sportler schwitzt weniger und fühlt sich dadurch wohler. „Kühlt der Körper wieder ab, erstarrt das Wachs und gibt die aufgenommene Wärme ab, und man friert nicht so schnell“, sagt der Experte aus eigener Erfahrung.

Eine weitere innovative Anwendung von Viskose: Die Fasern lassen sich mit Ionenaustauschern ausstatten und für die Wasserenthärtung einsetzen. Aber auch Schwermetalle können die Filtermaterialien aus dem Wasser ziehen. Dazu integrieren die Kelheimer Experten winzige Partikel von Austauscherharzen in die Viskosefasern. Weil die Teilchen fein verteilt sind und die Fasern sehr viel Wasser aufnehmen können, funktioniert der Austausch extrem schnell. „Die größte Herausforderung ist es, neue Funktionalitäten in die Fasern einzuführen, ohne die Faser zu schwächen – und dafür zu sorgen, dass die teilweise unter fünf Mikrometer großen Partikel gleichmäßig verteilt sind“, erklärt Roggenstein. „Zudem müssen die Additive in einem breiten pH-Bereich stabil sein und dürfen nicht verklumpen.“ Um diese technischen Hürden zu meistern, hat sich Kelheim Fibres ein breites Repertoire an Technologien und Verfahren erarbeitet.

Hochleistungsfasern – Neue Prozesse, Modifizierungen und Additive machen Viskose zur Basis hochfunktioneller Sportbekleidung. (© istockphoto/Gorfer)

Konstrukteure der Fasergeometrie

Spezielle Fasereigenschaften entstehen auch aufgrund der unterschiedlichen Lochgeometrien, durch die die Spinnmasse gepresst wird. Dadurch lassen sich verschiedenste Faserquerschnitte erzeugen. Kelheim Fibres kann beispielsweise Hohlfasern gewinnen, die winzige Kammern beinhalten. Diese können besonders gut Wasser einlagern und eignen sich deswegen für Wundauflagen oder Nasstücher. Andere Fasern haben einen Y-förmigen Querschnitt und werden beispielsweise für Tampons eingesetzt, weil sie eine hohe Feuchtigkeitsaufnahme gewährleisten. Roggenstein: „Flache Fasern mit einer glatten Oberfläche haben dagegen eine große Kontaktfläche zueinander und können chemisch miteinander wechselwirken. Dadurch bilden sich feste, sehr glatte Strukturen, die beispielsweise für die Papierbranche interessant sind.“

Die Kelheimer Faserspezialisten schaffen es aber auch, die natürlichen Eigenschaften der Viskosefasern mit zunächst gegensätzlich erscheinenden Kundenanforderungen zu kombinieren. Eine der jüngsten Entwicklungen ist eine hydrophobe Viskosefaser, die Wasser abweist, Wasserdampf allerdings weiterhin ungehindert aufnimmt. Eine ideale Voraussetzung für die Verwendung der Faser in zahlreichen Textilien und Vliesstoffanwendungen.

Ganz gleich, ob Spinnenseide oder Viskose: Biopolymere können mit ihrem breiten Eigenschaftsspektrum nicht nur mit den synthetischen Polymeren mithalten, sondern sie sind zudem ein wichtiger Schritt auf dem Weg in eine nachhaltigere Zukunft und bieten Potenzial, neuartige Produkte mit speziellen Eigenschaften zu realisieren.

Biobasierte Polymere

Grundsätzlich kann man biobasierte Polymere nach ihrer Herkunft unterscheiden. Zum einen gibt es Polymere, die direkt in der Natur erzeugt werden. Hierzu zählen Polysaccharide aus Pflanzen, insbesondere Baumwolle oder Zellulosefasern aus Holz. Ebenso gehören Proteine tierischen Ursprungs wie Wolle oder die Spinnenseide zu dieser Polymergruppe.

Andere Polymere bestehen aus Monomeren, die in der Natur vorkommen. Sie werden über chemische oder biotechnologische Polymerisationsprozesse erzeugt. Beispiele sind Polylactide (PLA) aus Milchsäure und Polyamide (PA).

Die dritte Gruppe von Polymeren wird aus Substanzen biologischen Ursprungs, beispielsweise Zuckern, direkt in einem Organismus synthetisiert. Das findet vorwiegend in Bakterien statt. Zu dieser Gruppe zählt man etwa die bakterielle Zellulose oder Polyhydroxyalkanoate (PHA), auch Biopolyester genannt.

Audio-Beitrag (0:55min) – Biomaterialien wie die Spinnenseide bieten völlig neue Möglichkeiten bei der Herstellung von Medizin- und Hygienetextilien

Der Vortrag von Prof. Dr. Thomas Scheibel vom Lehrstuhl für Biomaterialien an der Universität Bayreuth trägt den Titel: "Chancen der Biotechnologie für Innovationen bei Medizin- und Hygienetextilien". Professor Scheibel will anhand des Beispiels Spinnenseide aufzeigen, welche enormen Möglichkeiten sich durch den biotechnologischen "Nachbau" von Spinnenseide für den Gesundheitssektor ergeben können.