Was Spiderman besser wissen sollte - Thomas Scheibel Lehrstuhl Biomaterialien www.fiberlab.de
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Was Spiderman besser wissen sollte…
Thomas Scheibel
Lehrstuhl Biomaterialien
www.fiberlab.de
Inno.CNT Jahreskongress, 30. Januar Bayreuth
Inspiriert durch die Natur: Bayreuther Ansatz
Biopolymere mit außergewöhnlichen Eigenschaften im Fiberlab @ Bayreuth
Florfliegen Eierstiele
Spinnenseide
Köcherfliegen-Netze
Muschelfasern
www.fiberlab.de
30.01.2012
Faszination Spinnenseide
Vorteile von Spinnenseide sind seit Jahrtausenden bekannt
» hohe Reißfestigkeit
» hohe Dehnbarkeit
» recyclebar
» hypoallergen
» entzündungshemmend
Römer & Scheibel 2007, Prion 2, 154
30.01.2012
Heim et al 2010, Chem Soc Rev 39, 156
Eine Spinne – sieben Spinnenseiden
Heim et al 2010, Chem Soc Rev 39, 156
30.01.2012
Mechanische Eigenschaften
Dichte Zug-E-Modul Zugfestigkeit Bruchdehnung Belastbarkeit
Material
[gcm-3] [GPa] [GPa] [%] [MJm-3]
Spinnen Rahmenfaden* 1,3 10 1,1 27 180
Insektenseide** 1,3 7 0,6 18 70
Nylon 6.6 1,1 5 0,95 18 80
Kevlar 49 1,4 130 3,6 2,7 50
Kohlenstofffaser 1,8 300 4 1,3 25
Höherfester Stahl 7,8 200 1,5 0,8 6
Vendrely & Scheibel 2007, Macromol Biosci 7, 401
30.01.2012
Heim et al 2009, Angew Chem Int ed 48, 3584
Anwendungsmöglichkeiten
• Chirurgisches Nahtmaterial
• Wundverbände
• Schutzkleidung
• Airbags
• Spezialseile
• Faserverstärkung für Verbundwerkstoffe
• etc. etc. etc.
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30.01.2012
Wie erhält man genügend Spinnenseiden ?
Spinnen - Kannibalismus
Probleme außergewöhnliche Genstruktur der Spinnenseiden
Lösung
Vendrely & Scheibel 2007, Macromol Biosci 7, 401
30.01.2012
Kann man Biotech-Spinnenseide verspinnen ?
Seidenprotein ? Faden
Eisoldt et al 2010, J Struct Biol 170, 413
30.01.2012
Hagn et al 2010, Nature 465, 239
Analyse der Vorgänge im Spinnkanal
!
biotechnologische
Lösung
Heim et al 2009, Angew Chem Int ed 48, 3584
30.01.2012
Bionik: Verspinnen von Biotechseide im Labor
REM
Römer and Scheibel, Bionik: Patente aus der Natur, 2007, 130
30.01.2012Verarbeitungstechnologie erlaubt mehr …
von der Natur
zu neuen Materialien
Anwendungen z.B. in Filtern
Hardy et al 2008, Polymer 49, 4309
30.01.2012
Spieß et al 2010, Macromol Biosci 10, 998Nanofasern aus Spinnenseide
Herstellung mittels Elektrospinnen
F Seidenvlies auf Polyester-Träger
Spritze mit
Proteinlösung
Kapillarspitze
(Elektrode)
Taylor cone
V [µl/min]
Faser
h Hoch‐
spannung
Vlies
Kollektorplatte
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30.01.2012Nanofasern aus Spinnenseide
Abhängigkeit der Faserdurchmesser von der eingesetzten Proteinkonzentration
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30.01.2012Filterveredelung mit Spinnenseide
E-Spinnen von
Spinnenseide
Ausblasfilter Staubsaugerbeutel
Motorschutzfilter
Univ. Bayreuth, TU München (Prof. Lindemann), Sandler AG, Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
30.01.2012Filtersysteme mit Seiden-Nano-Vliesstoffen
Veredlung bestehender Filtersysteme
Quelle: Fiberlab, Sandler AG, Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
30.01.2012Identischer Vliesstoff für Wundabdeckungen
Interaktion mit Hautzellen in Abhängigkeit
vom Faserdurchmesser
Zellanheftung (%)
Zellproliferation Zeit (Tage)
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30.01.2012Verarbeitungstechnologie erlaubt mehr …
Anwendungen z.B. als:
> atmungsaktive Membran
> optische Folie
> Beschichtung (Haptik!)
Hardy et al 2008, Polymer 49, 4309
30.01.2012Folien / Filme aus Spinnenseide
Wasserdampf -
O2 Permeabilität Permeabilität
Zugfestig- Bruch-
cm³·1µm/m²/d
keit dehnung 85% Luftfeuchte
(23°C)
g·1µm/m²/d (23°C)
Seidenfilm 20 MPa 10% 18500 17500
Polyethylen (PE) 24 MPa >200% 55000 30
Polypropylen (PP) 33 MPa 800% 70000 55
Polyethylen 1400
74 MPa > 20% 200
terephthalat (PET)
Spieß et al 2007, GIT 11, 928
30.01.2012
Spieß et al 2010, Softmatter 6, 4168Verarbeitungstechnologie erlaubt mehr …
Anwendungen z.B. als Wirkstoffdepot
oder Wirkstofftransporter
für kleine Wirkstoffe
Hardy et al 2008, Polymer 49, 4309
30.01.2012
Spieß et al 2010, Macromol Biosci 10, 998Verpackung von Wirkstoffen
Um Wundheilung, aber auch Gesundungsprozesse bei Krankheiten zu beschleunigen,
werden häufig Wirkstoffe eingesetzt.
Viele Wirkstoffe zeigen nur eine kurze Halbwertszeit (wenige Sekunden bis Minuten).
Um Wirkstoffe im Körper länger zu stabilisieren (bis sie z.B. den Wirkort erreicht haben),
bzw. im Körper über längere Zeit eine konstante Wirkstoffkonzentration einzustellen,
müssen Wirkstoffe stabilisiert oder sogar verpackt werden.
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30.01.2012Beladung mit wasserlöslichen Wirkstoffen
Beladung der Seidenpartikel:
Diffusionskontrolliert, basiert auf elektrostatischen und hydrophoben WW
zusammen mit Gerhard Winter, LMU
Spieß et al 2010, Macromol Biosci 10, 998
Lammel et al 2011, Biomaterials 31, 4583
30.01.2012Beladung mit wasserUNlöslichen Wirkstoffen
Freisetzung der Wirkstoffe
Freisetzung im Darm
keine Freisetzung im Magen
Zeit [min]
zusammen mit
Liebmann et al 2008, Colloids and Surfaces A 331, 126
30.01.2012Genetisches Design für spez. Anwendungen
Spieß et al 2010, Softmatter 6, 4168
30.01.2012Moleküldesign für Anwendungen möglich
Spieß et al 2010, Softmatter 6, 4168
30.01.2012Moleküldesign für Anwendungen möglich
Seide Variante
Metalle
Leitfähigkeit
Gold
Enzyme
Aktivität
-Galactosidase
Vielseitigkeit
chemische
Verbindungen Farbstoff
Spieß et al 2010, Softmatter 6, 4168
30.01.2012Inspiriert durch die Natur: Bayreuther Ansatz
Biopolymere mit außergewöhnlichen Eigenschaften im Fiberlab @ Bayreuth
Florfliegen Eierstiele
Spinnenseide
Köcherfliegen-Netze
Muschelfasern
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30.01.2012Faszinierende Muschelfasern (Byssus)
Miesmuschel mit Byssus
E-Modul Bruchdehnung Zähigkeit
(GPa) εmax(%) (MJm-3)
proximal 0.02 200
20
distal 0.15 60
Carbonfaser 4.00 1.3 25
Kevlar 49 3.60 2.7 50
Stamm
proximaler Teil
flexibel
der Muschel Byssus ist ein
natürliches, polymeres
Gradientenmaterial
distaler Teil
steif
30.01.2012Biomimetische Polymergradientenmaterialien
Nach dem Vorbild der Miesmuschel
verschiedene Polymerlösungen
Gradientenmaterial
Mischer
A
Flussrate
B
C
1 cm
hart
0
Zeit weich
getestete Materialien:
PDMS
thermoplastische Silikonelastomere
Gelatine / Seidenfibroin
mit H.W. Schmidt, UBT
30.01.2012Danksagung
former Lab members
Christian Ackerschott
Anja Hagenau
Simone Hess
Daniel Hümmerich
Lin Römer
Sayam SenGupta
Ute Slotta
Kristina Spieß
Charlotte Vendrely
UBT
Hans-Werner Schmidt
TUM
Horst Kessler
Andreas Bausch
LMU
Gerhard Winter
Tufts University, USA
Bayerisches Staatsministerium für Dave Kaplan
Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz
und weitere kooperierende Unternehmen
www.fiberlab.de
30.01.2012Konzept für neue, bioinspirierte Materialien
www.fiberlab.de
30.01.2012Sie können auch lesen
