Selbstheilende Metallopolymere: Vom biologischen Modell bis zu synthetischen Materialien

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Friedrich-Schiller-Universität Jena

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung von bio-inspirierten selbstheilenden Metallopolymeren auf der Basis von Muschelbyssusfäden als biologischem Vorbild. Zahlreiche biologische Materialien weisen eine adaptive Selbstheilung auf, welche die Lebenszeit des Materials verlängert und das Überleben des Organismus fördert. Ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Designparadigmen der natürlichen Vorbilder auf der chemischen bis zu höheren Ebenen hat großes Potential, die Entwicklung von selbstheilenden Polymeren zu inspirieren. Muschelbyssusfäden sind proteinbasierte, metallhaltige, biologische Makromoleküle, die in den letzten Jahren aufgrund ihrer intrinsischen und autonomen Selbstheilung ohne lebende Zellen große Aufmerksamkeit erhalten haben. Erste Anstrengungen, dieses bemerkenswerte Material nachzuahmen, waren vielversprechend, allerdings erfordert die Verwirklichung von funktionalen selbstheilenden synthetischen Polymeren ein umfassendes Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehungen auf der molekularen Ebene. Neuerdings hat sich gezeigt, dass die Heilung in Byssusfäden auf der hierarischen Struktur und Polymer-(Protein-)Bausteinen mit reversiblen Histidin-Metall-Vernetzungseinheiten beruht. Das vorliegende Projekt vereint Biochemie und Makromolekulare Chemie, um die für die Heilung essentiellen strukturellen und chemischen Designkriterien zu bestimmen. Die Arbeiten am biologischen Modellsystem beinhalten in vitro Untersuchungen zur Chemie, Struktur und der mechanischen Eigenschaften der metallbindenden Peptiddomänen, die für die Heilung verantwortlich sind. Darüber hinaus sollen Untersuchungen zur Assemblierung der extrahierten Byssusproteine idealerweise die Polymerverarbeitung inspirieren. Diese Studien werden wichtige Information und spezifische Parameter über die strukturelle und hierarische Ordnung und die Bindungsmotive liefern, welche zum Design der synthetischen Polymere (basierend auf hierarischen Strukturen mit Histidinliganden) genutzt werden. Die bio-inspirierten Materialien werden mit den gleichen Methoden wie ihre biologischen Gegenstücke im Detail untersucht um bestimmen zu können, in wie weit die biologischen Konzepte umgesetzt werden konnten. Dieser Ansatz erlaubt den direkten Vergleich der natürlichen und synthetischen Materialien unter den gleichen Bedingungen, was wiederum die unabhängige Verifizierung von biologischen Struktur-Funktions-Hypothesen erlauben wird. Von hohem Stellwert ist, dass synthetische Systeme besser für einfache Variationen und Änderungen, welche im biologischen System nicht möglich sind, zugänglich ist, wodurch grundlegende Untersuchungen von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ermöglicht werden. Die erfolgreiche Bearbeitung des beantragten Projekts erfordert die enge Zusammenarbeit beider Partner und beinhaltet den synergistischen Austausch von Ideen, Kompetenzen und Charakterisierungstechniken. Als Ergebnis werden hierarchisch-strukturierte Polymere mit intrinsischer Selbstheilung angestrebt.