Wenn Sie schon einmal versucht haben, eine Muschel von einer Ufermauer oder eine Seepocke vom Boden eines Bootes zu ziehen, werden Sie verstehen, dass wir von der Natur viel über die Herstellung von Hochleistungsklebstoffen lernen können. Ingenieure der Tufts University haben dies zur Kenntnis genommen und berichten heute in der Zeitschrift Advanced Science über einen neuen Klebstofftyp, der von diesen hartnäckig anhaftenden Lebewesen inspiriert wurde. Mithilfe von faserigem Seidenprotein, das aus Seidenraupen gewonnen wird, konnten sie wichtige Merkmale des Seepocken- und Muschelleims nachbilden, darunter Proteinfilamente, chemische Vernetzung und Eisenbindung. Das Ergebnis ist ein leistungsstarker, ungiftiger Klebstoff, der unter Wasser genauso gut aushärtet und funktioniert wie unter trockenen Bedingungen, und er ist stärker als die meisten derzeit auf dem Markt erhältlichen synthetischen Klebstoffprodukte. „Die von uns entwickelte Verbindung ist unter Wasser nicht nur effizienter als die meisten heute erhältlichen Klebstoffe, sondern erreicht diese Festigkeit auch mit viel weniger Material“, sagte Fiorenzo Omenetto, Frank C. Double Professor für Ingenieurwissenschaften an der Tufts School of Engineering, Direktor des Tufts Silklab, wo das Material entwickelt wurde, und korrespondierender Autor der Studie. „Und da das Material aus extrahierten biologischen Quellen hergestellt wird, sind die Chemikalien harmlos, da sie aus der Natur stammen und weitgehend ohne synthetische Schritte oder die Verwendung flüchtiger Lösungsmittel auskommen, könnte es auch Vorteile bei der Produktion haben“, fügte er hinzu.
Das „Kleberteam“ von Silklab achtete auf viele Schlüsselelemente bei der Synthese von Wasserkleber. Muscheln scheiden lange, klebrige Fäden aus, die als Byssus bezeichnet werden. Diese abgesonderten Byssusfäden bilden Polymere, die sich in Oberflächen einbetten und chemisch vernetzen, um die Bindung zu stärken. Die Proteinpolymere bestehen aus langen Aminosäureketten, darunter Dihydroxyphenylalanin (DOPA), eine Catechol-haltige Aminosäure, die sich mit den anderen Ketten vernetzen kann. Die Muscheln fügen eine weitere besondere Zutat hinzu, die Eisenkomplexe, die die Kohäsionskraft des Byssus verstärken.
Seepocken sondern einen starken Zement aus Proteinen ab, die sich zu Polymeren formen, die sich an Oberflächen verankern. Die Proteine in den Seepocken-Zementpolymeren falten ihre Aminosäureketten zu Beta-Faltblättern, einer Zickzack-Anordnung, die flache Oberflächen und die Möglichkeit bietet, starke Wasserstoffbrücken mit dem nachfolgenden Polymerprotein oder mit der Oberfläche zu bilden, an der das Polymerfilament haftet.
Inspiriert von all diesen molekularen Bindungsstrategien, die die Natur verwendet, macht sich das Omenetto-Team daran, sie nachzubilden. Dabei greifen sie auch auf ihr Fachwissen über die Chemie des Seidenfibroinproteins zurück, das aus dem Kokon des Seidenspinners gewonnen wird. Seidenfibroin hat viele der Form- und Bindungseigenschaften der Seepocken-Klebstoffproteine gemeinsam, darunter die Fähigkeit, große Oberflächen aus Beta-Faltblättern aufzubauen. Die Forscher fügten Polydopamin hinzu, ein zufälliges Polymer aus Dopamin, das entlang seiner Länge vernetzende Catechine aufweist, ähnlich wie die Muscheln ihre Bindefilamente vernetzen. Die Klebekraft wird durch die Aushärtung des Klebstoffs mit Eisenchlorid deutlich erhöht, das die Bindungen mit den Catecholen sichert, wie dies bei natürlichen Muschelklebstoffen der Fall ist.
