Widerstandsfähigere und leichtere Zahnimplantatkronen können aus Nanokompositen auf Zellulosebasis hergestellt werden
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Eine Forschungsgruppe des VTT hat in Zusammenarbeit mit der Nanyang Technological University ein nachhaltiges mehrphasiges Nanokomposit entwickelt, das die Keule der Gottesanbeterin nachahmt, und damit im Labor neue Zahnimplantatkronen hergestellt. Dieses neue bioinspirierte Material ist eine Mischung aus Birkenzellulose und einer Reihe von gentechnisch veränderten Proteinen. Das Ergebnis ist ein Material, das stärker, widerstandsfähiger und wesentlich leichter ist als künstlich hergestellte technische Keramik. Es hat das Potenzial, ein Material der nächsten Generation zu werden, z. B. für stoßfeste Implantate, Sportgeräte, Körperpanzer, Exoskelette für Flugzeuge, Elektronik oder Oberflächenbeschichtungen für Windschutzscheiben.
Die Natur bietet einzigartige Einblicke in Designstrategien, die von lebenden Organismen entwickelt wurden, um robuste Materialien zu konstruieren. In diesem Fall gelang es der Forschungsgruppe, ein neues schlagfestes Material zu entwickeln, das von der Daktyluskeule der Fangschreckenkrebse inspiriert ist. Das neue Material könnte in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es darauf ankommt, wiederholten Stößen mit hoher Belastungsrate standzuhalten und gleichzeitig die strukturelle Integrität zu erhalten. Die Forschungsergebnisse wurden am 1. September 2021 in Advanced Materials veröffentlicht (DOI: 10.1002/ADMA.202102658).
Nachahmung der Keule von Fangschreckenkrebsen
Einer Forschungsgruppe des VTT ist es gelungen, einen mineralisierten Biokompositwerkstoff zu entwickeln und herzustellen, der eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Bruchzähigkeit aufweist und dem architektonischen Design der Daktyluskeule der Fangschreckenkrebse ähnelt.
"Diese faszinierenden Krebse sind eine der tödlichsten Tötungsmaschinen der Natur. Im Verhältnis zu ihrer geringen Größe verfügen sie über die stärkste Schlagkraft im Tierreich. Sie zertrümmern ihre Beute, indem sie ein Paar hammerähnliche Greifarme mit einer enormen Geschwindigkeit und Kraft werfen, die größer ist als die von Gewehrkugeln bei der Jagd aus nächster Nähe", erklärt Dr. Pezhman Mohammadi, Forschungswissenschaftler am VTT. "Die Hauptnahrungsquellen der Fangschreckenkrebse sind hartschalige Meeresorganismen, wie z. B. Mollusken. Um an den weichen, nahrhaften Teil zu gelangen, fressen sie sich direkt durch diese hochmineralisierten Exoskelette."
Frühere Studien haben gezeigt, dass die Keule ein mehrphasiges, hierarchisch geordnetes Nanokomposit mit abgestuften mechanischen Eigenschaften ist. "Die Keule hat eine weiche Innenschicht, die Energie ableitet, und eine steife, harte und stoßfeste Außenschicht. Zusammen erhöhen die beiden Schichten die allgemeine Schadenstoleranz des Schlägers. Beide Schichten bestehen aus ähnlichen Bausteinen, die sich jedoch in ihrem relativen Gehalt, ihrer polymorphen Form und ihrer Organisation unterscheiden. Der Hauptbaustein sind schraubenförmig angeordnete Chitin-Nanofibrillen, die durch eine proteinreiche Matrix zusammengeklebt werden", erklärt Mohammadi.
Kombination von Cellulose-Nanokristallen und Proteinen
Die Forschungsgruppe replizierte diese Struktur mit ähnlichen Bausteinen und Verarbeitungsbedingungen. Sie stellten einen neuen Verbundstoff zusammen, der aus Zellulose-Nanokristallen und zwei Arten von gentechnisch veränderten Proteinen besteht. Ein Protein wurde entwickelt, um die Grenzflächenfestigkeit des Materials zu erhöhen, und das andere, um die Keimbildung und das Wachstum von Hydroxylapatitkristallen zu vermitteln. Dieser neue Verbundwerkstoff wurde zu komplizierten Formen verarbeitet, indem er zu einer Zahnimplantatkrone mit periodischen Mustern der Mikroverstärkungsausrichtung und einer den menschlichen Zähnen ähnlichen Doppelschichtarchitektur verarbeitet wurde. Bei weiteren Untersuchungen könnten die Proteine so gestaltet werden, dass sie dem Material neue Eigenschaften verleihen.
Für künftige Anwendungen müssen die Skalierbarkeit und die Verarbeitungsbedingungen des Materials weiter entwickelt werden.
Dem Forschungsteam gehörten Experten für synthetische Biologie, Proteintechnik, Materialwissenschaft und Physik der weichen Materie an. Das zweieinhalbjährige Projekt wurde vom VTT und der Jenny und Antti Wihuri-Stiftung im Rahmen des Programms Centre for Young Synbio Scientists (CYSS) unter der Leitung von Professor Merja Penttilä finanziell unterstützt.
