Forscher des Imperial College London haben 3D-Blöcke geschaffen, die sich als Reaktion auf Schäden selbst reparieren können. Diese speziell konstruierten „lebenden Ziegel“ nutzen die Fähigkeit der Biologie, Material zu heilen und wiederherzustellen.
Die Arbeit, veröffentlicht in Nature Communications, könnte zur Entstehung von Materialien führen, die ihre eigenen Schäden erkennen und heilen. Materialien, die einen Riss in einer Windschutzscheibe, einen Riss im Rumpf eines Flugzeugs oder ein Loch in der Straße reparieren können.
Lebende Ziegel, die sich selbst reparieren
Durch die Integration von Bausteinen in selbstheilende Baumaterialien könnten Wissenschaftler den Wartungsaufwand reduzieren und die Lebensdauer und Nützlichkeit eines Materials verlängern.
In der Vergangenheit haben wir erstellt Biomaterialien Leben mit eingebauten Sensoren, die Signale und Umweltveränderungen erkennen können. Wir haben jetzt lebende „Bausteine“ geschaffen, die Schäden erkennen und darauf reagieren können. Sich selbst heilen und reparieren.
Tom Ellis, Imperial College Bioengineering Department, Erstautor der Studie
Wie funktionieren selbstheilende Materialien?
So wie in der Architektur modulare Bausteine verwendet werden, die zu einer Vielzahl von Gebäudestrukturen zusammengesetzt werden können, zeigt diese Forschung, dass das gleiche Prinzip auf das Design und die Konstruktion von Materialien auf Bakterienzellulosebasis angewendet werden kann.
Um diese Materialien herzustellen, haben die Forscher gentechnisch veränderte Bakterien namens Komagataeibacter rheticus um daraus fluoreszierende kugelförmige Zellkulturen in 3D, sogenannte Sphäroide, zu produzieren und sie mit Sensoren auszustatten, die Schäden erkennen. Anschließend organisierten sie die Sphäroide in verschiedene Formen und Muster und demonstrierten das Potenzial der Sphäroide als „modulare Bausteine“.
Die Ergebnisse
Das Team benutzte einen Perforator, um eine dicke Schicht bakterieller Zellulose zu beschädigen, ein gerüstartiges Material, das von bestimmten Bakterien produziert wird. Dann fügten sie die neu gewachsenen Sphäroide in die Löcher ein und sahen nach dreitägiger Inkubation eine ausgezeichnete, strukturstabile Reparatur, die die Textur und das Aussehen des Materials wiederherstellte.
Durch das Platzieren der Sphäroide im beschädigten Bereich und das Inkubieren der Pflanzen konnten die lebenden Ziegel den Schaden sowohl spüren als auch das Material nachwachsen lassen, um ihn zu reparieren.
Tom Ellis
Diese Entdeckung eröffnet einen neuen Ansatz, bei dem kultivierte Materialien als Module mit zusätzlichen Funktionen zu den konstruktiven verwendet werden können.
Anwendungsmöglichkeiten: lebende Ziegel für jeden Einsatz
Die möglichen lebenden Steine, die daraus entstehen können, sind vielfältig: mit Hefezellen, die medizinisch relevante Proteine sezernieren, könnten beispielsweise Filme hergestellt werden, die die Haut reparieren, indem sie die notwendigen Hormone und Enzyme selbst herstellen.
Die Herausforderung besteht darin, die verschiedenen Eigenschaften der Biologie nachzuahmen und zu kombinieren. Es geht nicht nur darum, diese Systeme zu emulieren, sondern die Biologie zu entwickeln, um ihr zusätzliche Funktionalität zu verleihen.
Der nächste Schritt für diese Forschergruppe ist die Entwicklung neuer lebender Steine, Sphäroide mit unterschiedlichen Eigenschaften. Sie müssen sie auch mit Materialien wie Baumwolle, Graphit und Gelees kombinieren, um komplexere Projekte zu erstellen.
Die Forschung könnte zu neuen implantierbaren elektronischen Geräten oder medizinischen Biosensor-Patches führen.
