16.05.09 Belastbare, weiche Fibern mit einstellbarer Festigkeit aus selbstorganisierten DNA-Strukturen

Eine Vorstufe von künstlichem Gewebe?

DNA-umhüllte Kohlenstoffnanoröhrchen sind weich aber trotzdem hoch belastbar wie biologisches Gewebe

Abb. 1: Hochporöse, schwammartige Materialien bilden sich durch Kondensation von DNA-umhüllten Kohlenstoffnanoröhren mithilfe von Ca²⁺ (SWNTs-DNA; siehe Bild, IL=ionische Flüssigkeit). Belastbarkeit, Modul und Quellfähigkeit der leitfähigen Schwämme lassen sich über die Dichte und Stärke der Kontaktstellen zwischen den Fasern steuern. Die Schwämme zeigen eine Nachgiebigkeit wie die weichsten natürlichen Gewebe, während robuste Kontaktstellen ihnen hohe Belastbarkeit verleihen.
Quelle: Angewandte Chemie

Für moderne Implantate und die Zucht künstlicher Gewebe und Organe werden Materialien mit möglichst naturnahen Eigenschaften benötigt. Das Gewebe unseres Körpers zeigt jedoch eine Eigenschaftskombination, die nur sehr schwer in synthetischen Materialien nachgeahmt werden kann: Es ist gleichzeitig weich und sehr belastbar. Ein australisch-koreanisches Forscherteam um Geoffrey M. Spinks und Seon Jeong Kim hat nun ein neuartiges, hochporöses schwammartiges Material entwickelt, das in seinen mechanischen Eigenschaften dem von biologischem Weichteilgewebe sehr nahe kommt. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, besteht es aus einem robusten Netzwerk aus DNA-Strängen und Kohlenstoffnanoröhrchen.

Weichteilgewebe wie Sehnen, Muskeln, Arterien, Haut und andere Organe erhalten ihre mechanische Stütze durch die extrazelluläre Matrix, einem Netz proteinbasierter Nanofasern. Verschiedene Protein-Morphologien führen dabei zu Geweben mit einer ganzen Bandbreite von Steifigkeiten. Als Implantate oder als Gerüste für die Gewebezüchtung braucht man poröse, weiche Materialien – die meist aber sehr fragil sind. Da viele biologische Gewebe regelmäßig starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es zudem wichtig, dass das Implantatmaterial eine vergleichbare Elastizität ausweist, um Entzündungen zu vermeiden. Gleichzeitig muss das Material sehr fest und belastbar sein, sonst kann es versagen.

Das neue Konzept nutzt DNA-Stränge als Matrix, die die gerüstbildenden Kohlenstoffnanoröhrchen in Anwesenheit einer ionischen Flüssigkeit regelrecht einwickeln und zu einem Gel vernetzen. Dieses Gel kann man spinnen: Nicht anders als beim Nassspinnen von Seide oder Kunstfasern für Textilien lassen sich hauchfeine Fäden erzeugen, wenn man das Gel in ein spezielles Bad eindüst. Die getrockneten Fäden haben eine poröse schwammartige Struktur und bestehen aus einem Netzwerk ineinander verschränkter ca. 50 nm dünner Nanofasern. Einweichen in einer Calciumchloridlösung vernetzt die DNA weiter, die Fäden werden wesentlich dichter und fester miteinander verbunden.

Diese schwammartigen Fasern ähneln den Kollagenfasernetzen der biologischen extrazellulären Matrix. Sie lassen sich zudem knoten, flechten und zu textilartigen Strukturen verweben. So entstehen Materialien, die so elastisch sind wie die weichsten natürlichen Gewebe, gleichzeitig verleihen ihnen die robusten DNA-Kontaktstellen eine hohe Belastbarkeit.

Ein weiterer Vorteil ist die elektrische Leitfähigkeit des neuen Materials, das sich damit auch als Elektrodenmaterial für mechanische Stellglieder, Energiespeicher und Sensoren eignet. So gelang es den Forschern etwa, einen Wasserstoffperoxid-Sensor herzustellen. Die Kohlenstoffnanoröhrchen katalysieren die Oxidation von Wasserstoffperoxid, dabei entsteht ein messbarer Stromfluss. Wasserstoffperoxid spielt eine Rolle in der normalen Herzfunktion und bei bestimmten Herzerkrankungen. Ein robuster Sensor mit der Dehnbarkeit des Herzmuskels wäre eine große Hilfe für die Erforschung dieser Zusammenhänge.

Quelle:

Tough Supersoft Sponge Fibers with Tunable Stiffness from a DNA Self-Assembly Technique
C. K. Lee, et. al., Angew. Chem. 2009, DOI: 10.1002/ange.200804788

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Belastbare, weiche Fibern mit einstellbarer Festigkeit aus selbstorganisierten DNA-Strukturen
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2009mai/gewebe.shtm)

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