Wertvolle Erkenntnisse aus der Nachahmung des Skeletts natürlicher Meeresschwämme.
Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Deutschland haben einen neuen synthetischen Hybridwerkstoff mit einem Mineralgehalt von fast 90 Prozent geschaffen, der jedoch äußerst flexibel ist. Sie ahmten die Strukturelemente der meisten Meeresschwämme nach und stellten die Schwammspicules mit dem natürlichen Mineral Calciumcarbonat und einem Protein des Schwamms wieder her. Natürliche Mineralien sind normalerweise sehr hart und stachelig, so zerbrechlich wie Porzellan. Erstaunlicherweise sind die synthetischen Spicules ihren natürlichen Gegenstücken in Bezug auf Flexibilität überlegen und weisen eine gummiartige Flexibilität auf. Die synthetischen Spicules können zum Beispiel leicht U-förmig sein, ohne zu brechen oder irgendwelche Anzeichen eines Bruchs aufzuweisen. Dieses von den deutschen Forschern in der aktuellen Ausgabe von Science beschriebene höchst ungewöhnliche Merkmal ist hauptsächlich auf den Anteil organischer Substanzen in den neuen Spicules zurückzuführen Hybridmaterial. Es ist ungefähr zehnmal so viel wie in natürlichen Spicules.
Großaufnahme eines spröden Sternes über gelben Rohrschwämmen. Bildnachweis: Shutterstock / Vilainecrevette
Spicules sind strukturelle Elemente, die in den meisten Meeresschwämmen zu finden sind. Sie bieten strukturelle Unterstützung und halten Raubtiere ab. Sie sind sehr hart, stachelig und sogar mit einem Messer schwer zu schneiden. Die Spicules von Schwämmen bieten somit ein perfektes Beispiel für ein leichtes, robustes und undurchdringliches Verteidigungssystem, das Ingenieure dazu inspirieren könnte, Körperschutz der Zukunft zu entwickeln.
Die Forscher um Wolfgang Tremel, Professor an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, und Hans-Jürgen Butt, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, haben diese Naturschwamm-Spicules als Modell für die Kultivierung im Labor verwendet. Die synthetischen Spicules wurden aus Calcit (CaCO3) und Silicatein hergestellt. Letzteres ist ein Protein aus kieselsäurehaltigen Schwämmen, das in der Natur die Bildung von Kieselsäure katalysiert, die die natürlichen Kieselsäure-Spicules von Schwämmen bildet. Silicatein-? wurde im Labor verwendet, um die Selbstorganisation der Calcit-Spicules zu kontrollieren. Das synthetische Material wurde aus einem amorphen Calciumcarbonat-Zwischenprodukt und Silicatein selbstorganisiert und anschließend zum endgültigen kristallinen Material gealtert. Nach sechs Monaten bestanden die synthetischen Spicules aus Calcit-Nanokristallen, die in einer Backsteinmauer angeordnet waren, wobei das Protein wie Zement in die Grenzen zwischen den Calcit-Nanokristallen eingebettet war. Die Spicules hatten eine Länge von 10 bis 300 Mikrometern mit einem Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometern.
Wie auch die Wissenschaftler, darunter Chemiker, Polymerforscher und der Molekularbiologe Professor Werner EG Müller vom Universitätsklinikum Mainz in ihrer Science-Publikation schreiben, haben die synthetischen Spicules eine weitere Besonderheit: Sie können Licht durchlassen Wellen, auch wenn sie gebogen sind.
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