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Materialforscher kopieren Seegurke

Ein neues Nanomaterial kann hart wie eine CD-Hülle sein oder weich wie Gummi, sobald es mit Wasser in Kontakt kommt.

Die Struktur des Nanokomposits. Vorbild für das neuartige Material war die Haut von Seegurken.

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Von Barbara Vonarburg

Seegurken haben eine erstaunliche Fähigkeit: Normalerweise ist ihre Haut weich und schlabberig. Doch sie kann innert Sekunden steif und hart werden, wenn das Tier bedroht ist. Diese mechanischen Eigenschaften der Seegurkenhaut faszinieren nicht nur Biologen, sondern auch Materialwissenschaftler wie Christoph Weder. Der Schweizer, der an der ETH Zürich doktoriert hat, ist heute Professor an der Case Western Reserve University in Cleveland im US-Bundesstaat Ohio.

Zusammen mit Kollegen hat Weder ein künstliches Material nach Vorbild der Seegurkenhaut entwickelt. In der heutigen Ausgabe der Zeitschrift «Science» berichten die Forscher über die neuen Materialien (Bd. 319, S. 1370). Es handelt sich um so genannte Nanokomposite, Verbundwerkstoffe mit Teilchen im Nanobereich, der Grössenordnung von Milliardstelmeter.

Weder und sein Team stützten sich auf die Erkenntnisse von Meeresbiologen. Diese hatten herausgefunden, wie der Trick der Seegurken funktioniert. In der Haut der Tiere sind starre Nanofasern aus Kollagen in weiches Gewebe eingebettet. Die Steifheit wird durch spezielle chemische Stoffe bestimmt, die das Nervensystem der Tiere absondert. Diese Substanzen kontrollieren die Wechselwirkung zwischen den Nanofasern und lösen das Starrwerden aus.

Nanofasern aus Zellulose

Für ihr neuartiges Nanokomposit verwendeten die Forscher einen Kunststoff, in den Nanofasern aus Zellulose eingebettet sind. Die Fasern kleben an Knotenpunkten zusammen und bilden so ein festes Netzwerk.

«Das Material ist so steif und fest wie zum Beispiel eine CD-Hülle», sagt Weder. Kommt das Nanokomposit mit Wasser in Berührung, saugt es davon ein wenig auf. «Die Wassermoleküle lösen die Klebstellen zwischen den Nanofasern auf», erklärt der Schweizer Forscher. «Und das Material wird dadurch etwa tausendmal weicher.»

Substanzen, die auf diese Weise mit Wasser chemisch schaltbar sind, lassen sich vor allem in der Biomedizin anwenden. Als Erstes wollen die Forscher daraus Mikroelektroden herstellen. Solche Elektroden könnten Teil eines künstlichen Nervensystems sein und beispielsweise Parkinsonpatienten helfen. Bei bisherigen Versuchen lieferten ins Gehirn implantierte Mikroelektroden nach ein paar Monaten schwächere Signale. Das verwendete, steife Material schädigt möglicherweise das weiche Hirngewebe, vermuten Experten. Elektroden aus dem neuen Material wären bei der Implantation steif, würden danach aber weich.

Die Biokompatibilität des neuen Materials werde bereits in Tierversuchen getestet, sagt Weder. Wann die Mikroelektroden reif für klinische Studien und Routineanwendungen seien, lasse sich aber schwer abschätzen. Weitere mögliche Anwendungen sind Stents, die den Verschluss von Herzkranzgefässen verhindern, oder ein «smarter» Gipsarm, der sich ab und zu bewegen lässt.

Wird der Schaltvorgang von hart zu weich nicht durch Wasser chemisch ausgelöst, sondern lässt sich das Konzept auf elektrisch schaltbare Materialien ausdehnen, «sind die Anwendungsmöglichkeiten grenzenlos», glaubt Weder. Dann könnte man beispielsweise intelligente Schutzwesten oder völlig neuartige Prothesen herstellen.