Rekombinate Produktion von faserbildenden Muschelbyssuskollagenen und deren bionische Prozessierung zum Einsatz in neuartigen Fasermaterialien

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In der Natur gibt es unzählige Materialien, die durch ihre in Jahrmillionen optimierten Eigenschaften die Einsatzmöglichkeiten von künstlich hergestellten Produkten weit übertreffen. Ein Beispiel bei dem dies besonders deutlich wird sind Muschelkollagene. Die von Muscheln in der freien Natur produzierten Kollagenproteinfasern sind einzigartig in Stabilität und Dehnbarkeit – ihre Bruchenergie ist dabei in derselben Größenordnung wie bei Kevlar, eine der stabilsten Kunstfasern. Zudem zeigen Muschelfasern eine einzigartige vollständige Regenerierbarkeit der mechanischen Eigenschaften bei Überdehnung.Doch die Vorteile von Muschelbyssusfäden liegen nicht nur in ihren hervorragenden mechanischen Eigenschaften. Byssusfäden widerstehen mikrobiologischen Angriffen und sind doch vollständig recyclebar. Sie sind leicht und wasserfest, besitzen aber trotzdem ein hohes reversibles Wasseraufnahmevermögen. Einige Muscheln verwenden ihre Fasern, die auch bei längerer Belastung nicht unter Qualitätsverlust leiden, oft monatelang.Muschelkollagene stellen ein extrem interessantes Biomaterial aufgrund ihrer außergewöhnlichen (reversiblen) mechanischen Eigenschaften dar. Zudem bieten sie basierend auf ihrer Aminosäurezusammensetzung ein ausgezeichnetes Material für die Wechselwirkung mit Zellen, für Beschichtungen von technischen Oberflächen oder als Kompositmaterial.In dem beantragten Projekt sollen natürliche Fasermaterialien (Muschel Byssi) analysiert und die zugrundeliegenden Proteine für technisch relevante Produktanforderungen hergestellt, charakterisiert und modifiziert werden (Stoffherstellung, Ziel 1). In einem zweiten Ziel soll aus den Ausgangsmaterialien ein Gefüge hergestellt werden, wozu die Analyse der zugrundeliegenden Mechanismen nötig ist. Die entstehenden Fasern, aber auch andere Produktformen wie Platten, Folien oder Schäume, sollen durch eine zielgerichtete Anpassung und Prozessierung für spezifische Einsatzgebiete weiter entwickelt und entsprechende Bauteile und Prüfkörper hergestellt werden (Ziel 3). Während Ziel 1 und teilweise auch Ziel 2 den Aspekt des Lernens von der Natur beinhaltet, soll in den Zielen 2 und 3 das von der Natur erlernte mit Methoden der chemischen Prozesstechnik und der Materialwissenschaften in technische Aspekte überführt werden (= Bionik).Synthetische Fasern sind entweder reißfest oder dehnbar, nie beides gleichzeitig wie es bei Muschelbyssusfäden der Fall ist, und in den seltensten Fällen nach Überdehnung regenerierbar. Das zur bionischen Herstellung von Muschelbyssusfasern (Rohmaterial und Verarbeitungsverfahren) benötigte Know-how soll gebündelt in einer interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Makromolekulare Chemie I und Biomaterialien an der Universität Bayreuth, bestehend aus Biochemikern, Chemikern und Materialwissenschaftlern etabliert werden. Die Kombination des Verständnisses der biochemischen Grundlagen (z. B. Strukturanalyse der Kollagene), makromolekularer Chemie (z. B. Untersuchung und Charakterisierung der Vernetzung) in Kombination mit einer fundierten materialwissenschaftlichen Expertise (z. B. Polymerverarbeitung und Kompositfaserherstellung) an einem Standort ist eine entscheidende Grundlage für einen erfolgreichen Projektverlauf.