Was Spiderman besser wissen sollte…

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
Muschelfasern
Köcherfliegen-Netze
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
Heim et al 2010, Chem Soc Rev 39, 156
30.01.2012
Eine Spinne – sieben Spinnenseiden
Heim et al 2010, Chem Soc Rev 39, 156
30.01.2012
Mechanische Eigenschaften
Dichte
[gcm-3]
Zug-E-Modul
[GPa]
Zugfestigkeit
[GPa]
Bruchdehnung
[%]
Belastbarkeit
[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
Material
Vendrely & Scheibel 2007, Macromol Biosci 7, 401
Heim et al 2009, Angew Chem Int ed 48, 3584
30.01.2012
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 ?
Probleme

Spinnen - Kannibalismus

außergewöhnliche Genstruktur der Spinnenseiden
Lösung
Vendrely & Scheibel 2007, Macromol Biosci 7, 401
30.01.2012
Kann man Biotech-Spinnenseide verspinnen ?
Seidenprotein
?
Eisoldt et al 2010, J Struct Biol 170, 413
Hagn et al 2010, Nature 465, 239
Faden
30.01.2012
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
30.01.2012
Verarbeitungstechnologie erlaubt mehr …
von der Natur
zu neuen Materialien
Anwendungen z.B. in Filtern
Hardy et al 2008, Polymer 49, 4309
Spieß et al 2010, Macromol Biosci 10, 998
30.01.2012
Nanofasern aus Spinnenseide
Herstellung mittels Elektrospinnen
F
Kapillarspitze
(Elektrode)
Seidenvlies auf Polyester-Träger
Spritze mit Proteinlösung
Taylor cone
V [µl/min]
Faser
h
Hoch‐
spannung
Vlies
Kollektorplatte
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30.01.2012
Nanofasern aus Spinnenseide
Abhängigkeit der Faserdurchmesser von der eingesetzten Proteinkonzentration
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30.01.2012
Filterveredelung mit Spinnenseide
E-Spinnen von
Spinnenseide
Ausblasfilter
Motorschutzfilter
Staubsaugerbeutel
Univ. Bayreuth, TU München (Prof. Lindemann), Sandler AG, Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
30.01.2012
Filtersysteme mit Seiden-Nano-Vliesstoffen
Veredlung bestehender Filtersysteme
Quelle: Fiberlab, Sandler AG, Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
30.01.2012
Identischer Vliesstoff für Wundabdeckungen
Zellproliferation
Zellanheftung (%)
Interaktion mit Hautzellen in Abhängigkeit
vom Faserdurchmesser
Zeit (Tage)
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30.01.2012
Verarbeitungstechnologie erlaubt mehr …
Anwendungen z.B. als:
> atmungsaktive Membran
> optische Folie
> Beschichtung (Haptik!)
Hardy et al 2008, Polymer 49, 4309
30.01.2012
Folien / Filme aus Spinnenseide
Wasserdampf Permeabilität
85% Luftfeuchte
g·1µm/m²/d (23°C)
Zugfestigkeit
Bruchdehnung
O2 Permeabilität
cm³·1µm/m²/d
(23°C)
Seidenfilm
20 MPa
10%
18500
17500
Polyethylen (PE)
24 MPa
>200%
55000
30
Polypropylen (PP)
33 MPa
800%
70000
55
74 MPa
> 20%
Polyethylen
terephthalat (PET)
1400
Spieß et al 2007, GIT 11, 928
Spieß et al 2010, Softmatter 6, 4168
200
30.01.2012
Verarbeitungstechnologie erlaubt mehr …
Anwendungen z.B. als Wirkstoffdepot
oder Wirkstofftransporter
für kleine Wirkstoffe
Hardy et al 2008, Polymer 49, 4309
Spieß et al 2010, Macromol Biosci 10, 998
30.01.2012
Verpackung 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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30.01.2012
Beladung 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
30.01.2012
Beladung 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
30.01.2012
Genetisches Design für spez. Anwendungen
Spieß et al 2010, Softmatter 6, 4168
30.01.2012
Moleküldesign für Anwendungen möglich
Spieß et al 2010, Softmatter 6, 4168
30.01.2012
Moleküldesign für Anwendungen möglich
Seide
Metalle
Variante
Leitfähigkeit
Gold
Enzyme
Aktivität
-Galactosidase
chemische
Verbindungen
Vielseitigkeit
Spieß et al 2010, Softmatter 6, 4168
Farbstoff
30.01.2012
Inspiriert durch die Natur: Bayreuther Ansatz
Biopolymere mit außergewöhnlichen Eigenschaften im Fiberlab @ Bayreuth
Florfliegen Eierstiele
Spinnenseide
Muschelfasern
Köcherfliegen-Netze
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30.01.2012
Faszinierende Muschelfasern (Byssus)
Miesmuschel mit Byssus
Zähigkeit
(MJm-3)
E-Modul
(GPa)
Bruchdehnung
εmax(%)
proximal
0.02
200
distal
0.15
60
Carbonfaser
4.00
1.3
25
Kevlar 49
3.60
2.7
50
20
Stamm
proximaler Teil
flexibel
der Muschel Byssus ist ein
natürliches, polymeres
Gradientenmaterial
distaler Teil
steif
30.01.2012
Biomimetische Polymergradientenmaterialien
Nach dem Vorbild der Miesmuschel
verschiedene Polymerlösungen
Mischer
Gradientenmaterial
Flussrate
A
B
C
1 cm
0
hart
Zeit
weich
getestete Materialien:
 PDMS
 thermoplastische Silikonelastomere
 Gelatine / Seidenfibroin
mit H.W. Schmidt, UBT
30.01.2012
Danksagung
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
Dave Kaplan
Bayerisches Staatsministerium für
Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz
und weitere kooperierende Unternehmen
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30.01.2012
Konzept für neue, bioinspirierte Materialien
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30.01.2012