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Nanotechnologie – eine technische Revolution? Den ... - OSTAK

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Nanotechnologieeine technische Revolution?

Wissenschaft und Kunst

Den Knochen neu

entdecken

Den Knochen in der Kunst neu entdecken –

das ist das Anliegen von Dr. Peter Diziol und

dieser Rubrik, die interessante Bauwerke,

Plastiken und Gemälde vorstellen wird.

Das große Potenzial der Nanotechnologie

ist bereits absehbar, aber in seinen gesamten

Auswirkungen für viele Bereiche

noch nicht vorherzusagen. Sie hat gute

Chancen, die Schlüsseltechnologie des

21. Jahrhunderts zu werden.

Lotus-Effekt

Fast jeder kennt das Abperlen der Wassertropfen

auf Blattoberflächen von Pflanzen.

Besonders berühmt wurde unter anderem

die Lotuspflanze mit ihren Blättern, an denen

das Wasser nicht nur in Tropfen abperlt,

sondern dabei auch alle Schmutzpartikel

von der Oberfläche mitnimmt. Dieser

besondere Effekt ist durch die eingehenden

Untersuchungen mittels der Raster-Elektronenmikroskopie

detailliert aufgeklärt

worden. Das Wort „Lotus-Effekt ® “ wurde

zum Markennamen und Begriff für selbstreinigende

Oberflächen.

Diese Blätter sind oben nicht absolut

glatt, wie man denken könnte, die Untersuchungen

brachten ganz andere Oberflächenstrukturen

zu Tage. Die Oberflächen

der Blätter haben häufig eine hydrophobe

Doppel-Mikrostruktur, da sie unterschiedliche

Materialien und Gewebe zur Strukturbildung

ihrer Oberfläche heranziehen

können. Die äußeren Zellwände weisen eine

vergleichsweise grobe Struktur (Mikrozellen

mit Papillen im Abstand bis ca.

20 μm) mit einer überlagerten hydrophoben

„Wachskristallschicht“ großer ultrastruktureller

Vielfalt auf (Lipide mit Nanostruktur

mit 0,2–5 μm Abstand

[Abb. 1]). Durch diese Nanostruktur lie-

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Die Größe zählt, auch in der Nanowelt. Unsere

Natur ist voller Überraschungen, Geckos

können sich zum Beispiel unter Glasplatten

hängend bewegen. Was bewirkt der

Lotus-Effekt oder wie entsteht die wunderschöne

Farbe bei einigen Schmetterlingsarten?

Können uns Jahrmillionen alte Nano -

strukturen Ideen liefern, dieses Know-how

für neue Entwicklungen zu nutzen? Denkbar

sind Anwendungen für eine besondere

Architektur oder ein neuer, vielfacher Nutzen

in der Medizin, z. B. in der Osteologie?

Steigen wir nach dem Artikel „Was ist

groß, was ist klein? Blick in eine nicht sichtbare

Welt“ (Osteologie 1/2011) ein weiteres

Mal in die Welt der Moleküle und Atome

der Nanotechnologie ein. Welchen Nutzen

kann uns diese neue Technologie-Entwicklung

bieten? Eine eindeutige Beantwortung

ist noch nicht möglich, wie einst zu Beginn

der Erfindung des Buchdrucks durch Johannes

Gutenberg in Mainz, oder die Erfindung

des Internets von Timothy Berners-Lee

(Physiker). Wer könnte z. B. in der

Wissenschaft heute auf diese beiden Erfindungen

verzichten?

Abb. 1

Blatt der Lotuspflanze,

(a) überlagerte

Wachskristallschicht“

mit ultrastruktureller

Vielfalt;

(b) äußere Zellwand,

nach Entfernen der

„Wachskristallschicht“;

©eye of

science, Reutlingen

a)

b)

© Schattauer 2011 Osteologie 2/2011


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gen die Schmutzpartikel nur auf wenigen

Spitzen dieser Oberfläche, wodurch ihre

Adhäsion damit sehr stark verringert wird,

so dass sie an abrollenden Regentropfen

haften bleiben und vollständig entfernt

werden.

Diese Noppenstrukturen konnten

künstlich nachgebildet werden und sind

bereits in einigen kommerziellen Produkten

wie selbstreinigenden Dachziegeln,

Fassadenfarben und auf der oberen Glasschicht

von Solarmodulen erhältlich. Noch

sind aber nicht alle Probleme bei mechanischer

Belastbarkeit oder der chemischen

und physikalischen Beständigkeit gelöst.

Gecko versus Spider-Man

Den Comic-Superhelden Spider-Man, im

Deutschen besser bekannt als „die Spinne”

– ab Mitte der 1960er-Jahre aus der Comicreihe

Marvel Comics – kennen viele. Besonderen

Popularitätszuwachs erreichten

mehrere aufwändig inszenierte Kinofilme

mit vielen visuellen Effekten ab 2002.

Spider-Man konnte mit seinen Extremitäten

– gespreizten Fingern und Füßen – sogar

Glaswände empor klettern.

Im Vergleich dazu sind Geckos viel älter:

Es sind Echsen bis etwa 40 cm Länge, die

die Erde seit etwa 50 Millionen Jahren be-

Abb. 2

Hafthärchen am Fuß

des Geckos mit Plättchen;

©eye of science,

Reutlingen

Abb. 3 Flügelstruktur des blauen Morphofalters Morpho peleides (Himmelsfalter) – die Raster-

Elektronenmikroskopie liefert Bilder in schwarz-weiß. Obwohl die zu sehenden Nanostrukturen

schon sehr beeindruckend sind, werden diese nachkoloriert, um Besonderheiten herauszuarbeiten.

Diese Farbgebung soll die Bilder aber nicht verfälschen; ©eye of science, Reutlingen

völkern und sich ihren Lebensräumen optimal

angepasst haben. Eine Arteneinteilung

bezieht sich auf deren Zehen, die sie

dank einer besonderen Adhäsion kopfüber

oder auch unter Glasscheiben zu laufen befähigen.

Schon Aristoteles (350 v. Chr.) war

fasziniert, wie diese Echsen an glatten Bäumen

kopfüber laufen konnten, ohne sich an

der Oberfläche zu verklammern. Die Natur

ermöglicht solche raffinierten Haftsysteme

in Nanogröße, so dass viele Lebewesen wie

z. B. Fliegen, Spinnen und Geckos ihr Körpergewicht

damit auch auf glatten Flächen,

wie Glas, in jeder Lage halten können. Diese

Tiere besitzen sehr feine Hafthärchen an

ihren Füßen, die sich an dem Ende in hunderte

winzigste flache Plättchen aufteilen.

Diese Härchen sind beim Gecko ca. 0,1 mm

(10 –4 m) lang, die Plättchen sind 200 nm

(2 x 10 –6 m) breit und weisen eine Dicke bis

15 nm auf. Ähnlich unseren Haaren bestehen

die Hafthaare auch bei Geckos aus

Kreatin. Durch ihre feine Verästelung mit

den Plättchen sind diese aber sehr biegsam

und können sich an mikroskopisch feine

Unebenheiten des Untergrunds in Nanogröße

anpassen (Abb. 2).

Ein Vergleich dieser Tiergruppen und

der Strukturen ihrer Hafthärchen ergab, je

größer und schwerer diese sind, desto feiner

und dichter sind ihre Haftstrukturen

ausgebildet. Es besteht ein lineares Verhältnis

zwischen Härchendichte pro 1000 μm 2

zum Körpergewicht des Tieres in Gramm,

das als „natürliches Haftgesetz“ angesehen

werden kann. Bei der Bewegung eines

schweren Tieres lösen sich zwar Härchen

bei einem kaum messbaren Kraftaufwand,

durch die deutlich größere Anzahl bleiben

aber sehr viele in Kontakt zum Untergrund

und lassen so das Tier nicht herunterfallen.

Die hier wirkende Bindungskraft sind die

Van-der-Waals-Kräfte elektrostatischer

Natur, die wie Dipole wirken, wie zum Beispiel

eine Wasserstoff-Brückenbindung

zwischen zwei Wassermolekülen. Diese

Brückenbindungen sind zwar sehr

schwach, durch die etwa eine Milliarde

Endkontakte entsteht trotzdem eine sehr

große Haftungsstärke mit einem ausreichenden

Sicherheitspotenzial.

Zurück zum Beispiel mit Spider-Man:

Dieser müsste linear hochgerechnet eine

unvorstellbare Menge von ca. 1 x 10 6 Härchendichte

pro 1000 μm 2 besitzen – im Ver-

Osteologie 2/2011 © Schattauer 2011


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gleich dazu weisen Geckos eine Härchendichte

von ca. 5 x 10 3 pro 1000 μm 2 auf.

Die Erforschung dieser Haftsysteme

und Eigenschaften ist von großem wissenschaftlichen

und wirtschaftlichen Interesse,

da die gewonnenen Erkenntnisse viele

Anwendungen für technische Lösungen

liefern können. Im Jahr 2010 wurde ein Patent

für mehrwandige Kohlenstoff-Nanotubes

in den USA erteilt. Die Forscher sagen,

sein Haftvermögen sei viermal stärker

als das natürliche Vorbild des Gecko: Es lasse

sich wiederholt ablösen und erneut anhaften.

a)

Schillernde Farben können

täuschen

Einige Schmetterlinge fallen durch schillernde

Farben ihrer Flügel auf – dabei sind

diese vollkommen farblos! Für uns brillant

aussehende Farben werden nur durch

Lichtbrechung erzeugt, da parallel verlaufende,

mikroskopisch kleine Kanäle und

Rillen das Licht in Regenbogenfarben brechen,

so dass für uns blaue (Morphofalter)

oder andere Farben sichtbar werden.

Flügelschuppen der Schmetterlinge bestehen

aus einem Chitingerüst, das Rillen

in mehreren Ebenen enthält. Die Strukturen

sind in einer besonderen Perfektion nano-

oder mikrostrukturiert. Das einfallende

Licht wird von der obersten Reihe reflektiert,

ein Teil von der darunterliegenden

Reihe usw. Form und Größe des Abstandes

der Rillen bestimmen die Farbe, mit welcher

Wellenlänge das Licht reflektiert wird

(Abb. 3). Die Flügelschuppen enthalten

dabei selbst kein Farbpigment!

Dies jeweils spezielle Vorgehen der Natur

ist für diese Tiere wichtig. Einige vermeiden

die Aufwärmung durch die Sonne

dadurch, dass sie das Sonnenlicht durch Interferenz

an den feinen Strukturen brechen,

wiederum andere benötigen die Wärme

der Sonnenstrahlen, um in der kalten

Luft, in der sie leben, fliegen zu können: Es

wirkt wie ein Wärmekollektor. Die Nanotechnologie

hilft hier, die Energieprobleme

dieser Tiere zu lösen. Diese Forschungen

dienen u. a. dazu, auch unsere Energieprobleme

mit der Technologie der Natur in

den Griff zu bekommen.

b)

Abb. 4 Aufsicht und 3D-Innenansicht – Entwurf für ein Bürgerforum in Berlin; ©Christian Tschersich;

Besichtigung in 3D-Video-Animation: http://c-s-t.net/thesis-project/

Nano-Strukturen – Vorbilder

für Architekten

Die Natur ist Lehrmeister auch für Architekten.

Wesentliche Gebäude für die Öffentlichkeit

erhalten meist ein besonderes

Design. Es ist die Herausforderung für Architekten,

neben der Zweckmäßigkeit für

innen liegende Räume, dem Gebäude eine

Abb. 5 Ausschnitt der Dachkonstruktion mit

Öffnungen für die Transparenz und Lichteinfall;

©Christian Tschersich

besondere „äußere Hülle“ zu geben. Diesen

Herausforderungen begegnet man auch in

Universitäten, wo neue Ideen in besondere

Modellstrukturen umgesetzt werden können.

Für die Mitte Berlins wurde ein zentrales

Bürgerforum konzipiert und dann

im Rahmen eines Hochbauentwurfs umgesetzt.

Nach Analyse der soziopolitischen Situation

in Deutschland und dem Wunsch

für mehr basisdemokratische Mitbestimmung

auf verschiedenen Ebenen sollte eine

Begegnungsstätte mit Auditorium, Mediathek,

Arbeitsräumen und Platz für Ausstellungen,

einer Bibliothek und Arbeitsräumen

sowie Restaurant und Café geplant

werden. Gerade die Bionik, das Vorbild der

Natur wurde von dem Architekten in besonderer

Weise aufgegriffen.

Die verschiedenen Gebäudeeinheiten

wurden daher mit einer optisch durchlässigen

„Hülle“ versehen, welche keine rigide

Trennung zwischen Außenraum und Innenraum

darstellt. Beim Betrachten erinnert

die Struktur des Gebäudes – Tragestruktur

und raumbildendes Element –

an die Skelette von Radiolarien (Abb. 4).

Das Besondere ist die Ausbildung der

Fassade mit ihren unterschiedlich großen

OSTAK

© Schattauer 2011 Osteologie 2/2011


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OSTAK

Abb. 6 Unterwasseraufnahmen eines Baikalschwamms

(Lubomirskia baicalensis); ©Institut

für Physiologische Chemie, Universität Mainz

(W.E.G. Müller)

Öffnungen. Diese sind Ergebnis eines algorithmischen

Optimierungsverfahrens, welches

die unterschiedlichen, teils konkurrierenden

Anforderungen – Statik, Belichtung,

Belüftung, formale Ästhetik – in einem

evolutionären Prozess zueinander in

Beziehung setzt und optimiert. Die Bionik

erlaubt hier eine optimale Symbiose zwischen

den funktionalen Anforderungen

und einer Leistungsfähigkeit, die an natürliche

Organismen erinnert. Lernen aus

Jahrmillionen der Natur findet hierbei eine

besondere Umsetzung (Abb. 5).

Nanostrukturen in Schwämmen –

Anwendung in der Osteologie

Die Nanotechnologie spielt auch in der

Forschung zur Gewinnung u. a. von Knochenimplantaten

und Zahnfüllungen eine

wichtige Rolle. Es ist der besondere Forschungsschwerpunkt

von Universitäts-

Prof. Dr. W. E. G. Müller.

Schwämme gibt es seit ca. 700 Millionen

Jahren auf unserer Erde. Damit gehören sie

neben den Radiolarien zu den ältesten Tieren

unseres Planeten. Sie sind sehr anspruchslos

und widerstandsfähig. Mit etwa

9000 verschiedenen Schwamm arten, die

weltweit unter ganz verschiedenen Bedingungen

leben, ermöglichen sie viele sinnvolle

Forschungsansätze. Das anorganische

Gerüst besteht wie bei Radiolarien aus

Silikat und wird von den Zellen des

Schwamms enzymatisch hergestellt, was als

Verfahren in der Nanobiotechnologie und

Medizin von großem Wert sein könnte. Mit

der Aufklärung des Genoms der Schwämme

ab dem Jahr 1992 konnte gezeigt werden,

dass der Bauplan der Schwämme dem

der höheren Tiere weitgehend entspricht.

Sie verfügen über ein beeindruckendes Immunsystem,

das Ähnlichkeit zu dem des

Menschen aufweist. Schwämme produzieren

viele biochemische Substanzen, giftige

Toxine und schützende Glykoproteine.

Dieser Cocktail schützt sie vor möglichen

Feinden und antibiotische Stoffe hindern

Bakterien an der Überwucherung der Außenhaut.

Abb. 7

Das Skelett von Euplectella

aspergillum

besteht aus Glasnadeln.

Unter dem Mikroskop

erkennt man

deren filigrane Struktur;

©Institut für

Physiologische Chemie,

Universität

Mainz (W.E.G. Müller)

Zu den Schwämmen mit dem größten

Potenzial für Forschungsergebnisse zählen

die Schwämme des Baikalsees (Abb. 6).

Eine wichtige Eigenschaft des Schwammes

vom Baikalsee ist sein Strukturaufbau.

Nach Herauswaschen der Algen lassen sich

unter dem Mikroskop Tausende von Silikatnadeln,

die Spiculae, ausmachen. Der

Körper besteht aus einem komplexen, sehr

fein strukturierten Gerüst, wobei es sich erstaunlicherweise

um Glas handelt. Das Skelett

zeichnet sich durch seine Härte wie

Quarzglas (Biosilikat), aber auch Flexibilität

und Biegsamkeit aus.

Im Gegensatz zu den auf Kalzium basierenden

Skeletten der Vielzeller, bauen einige

wenige Organismen ihre Strukturen aus

Silizium auf. Dabei sind nur Schwämme in

der Lage, ihr Skelettsystem in einem einzigen

enzymatischen Schritt als Silizium -

skelett (Nadeln) bei Raumtemperatur und

ohne Druck herzustellen. Diese Bio -

mineralisierung mit Silizium erfolgt in

hoch spezialisierten Zellen der Schwämme,

die Strukturen von Nanogröße bis zu Metergröße

ergeben. Diese Nadeln sind für die

strukturelle Stabilität des Schwammkörpers

verantwortlich, halten Raubfische

vom Schwamm ab und transportieren das

Licht wie in Glasfasern.

Die Mainzer Forscher haben die Enzyme

nachgewiesen und isoliert, mit dem die

Schwämme aus Siliziumdioxidmolekülen

ein lupenreines Biosilikat herstellen. Die an

der Synthese beteiligten Enzyme Silicatein

und Silintaphin-1 sowie Proteine wurden

kloniert und liegen als rekombinante Proteine

vor. Wofür wir bei Produktionsprozessen

hohe Temperaturen (> 1800 o C)

und besondere Bedingungen aufwenden

müssen, benötigen Enzyme der Schwämme

seit Millionen von Jahren nur kaltes Wasser

eine Fähigkeit, die auf dieser Welt einzigartig

ist. Die Silizium-Nanopartikel werden

bei der Reaktion vom Enzym Silicatein umschlossen,

das diesen Prozess unter den genannten

Bedingungen erst ermöglicht

(Abb. 7).

Entsprechende Techniken zur Herstellung

von Nanobeschichtungen aus Biosilikat

auf Knochen- und Zahnoberflächen

hat das Team um Professor Müller entwickelt.

Bei Zellkulturexperimenten konnte

gezeigt werden, dass Biosilikat die Bildung

von Knochenmaterial induziert. Da-

Osteologie 2/2011 © Schattauer 2011


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Abb. 8 Nadeln des Aphrocallistes vastus fu -

sionieren und bilden Biosilikat; ©Institut für Phy -

siologische Chemie, Universität Mainz (W.E.G.

Müller)

rüber hinaus stellt Biosilikat den bei Osteoporose

gestörten Mechanismus wieder her,

der das Gleichgewicht zwischen Knochenbildung

und Knochenresorption reguliert.

Ein schematischer Ablauf zum Einfluss von

Biosilikat auf die Aktivierung von Osteoblasten

und Reduktion der Reifung von

Osteoklasten ist postuliert.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten aus

diesen Studien mit Schwämmen zeichnen

sich ab: Beschichtung von Prothesen aus

Titan oder Keramik. Das Biomaterial bietet

den Vorteil, dass die Prothesen nicht als

Fremdkörper erkannt und abgestoßen werden

könnten. In der Zahnmedizin kann das

Bioglas als Beschichtung von Implantaten

oder als Füllung von Nutzen sein. Eine weitere

Verwendung kann es als Grundmaterial

in der Mikroelektronik als lichtleitende

Sensoren finden. Biosilikate der Schwämme

scheinen wesentlich bessere Lichtleiter

als handelsübliche Produkte zu sein. Zudem

sind sie widerstandsfähiger und biegsamer.

Werner Müller ist überzeugt, dass diese

Substanz zur Nummer Eins der Biomaterialien

der Zukunft wird.

Professor Dr. Werner Müller wurde Ende

2010 vom Europäischen Forschungsrat

(ERC) für seine Arbeiten mit 2,2 Millionen

Euro für seine weiteren Forschungsvorhaben

ausgezeichnet, die im Institut für

Physiologische Chemie der Universitätsmedizin

der Johannes Gutenberg-Universität

Mainz entwickelt wurden.

Wir sehen faszinierende Bilder aus der

Welt von Nanostrukturen – Kunstwerken

gleich – und können uns viele Anwendungsmöglichkeiten

vorstellen. Chancen

bergen aber auch Risiken, die abgeklärt

werden müssen. Toxikologen untersuchen

Nanomaterialien aufgrund ihrer besonderen

Eigenschaften auf Gefahren für Umwelt

und den Menschen.

Dr. Peter Diziol, Baden-Baden

Weiterführende Literatur

und Bildmaterial

Literatur

1. Nano! – Nutzen und Visionen einer neuen

Technologie; Katalog zur Sonderausstellung,

TECHNOSEUM – Landesmuseum für Technik

und Arbeit in Mannheim.

2. Richard Jones. Nanowelten, die fabelhafte Welt

des Mikrokosmos. Frederking & Thaler Verlag

2008.

3. Planung Bürgerforum Berlin; persönliche Mitteilung:

Christian Tschersich und Prof. Alex Wall

(Fachgebiet Städtebau), Prof. Dr. Werner Sewing

(Fachgebiet Architekturtheorie), Institut für Architektur,

KIT Karlsruhe.

4. Müller WEG et al. Sponge spicules as blueprints

for biofabrication of inorganic-organic composites

and biomaterials. Appl Microbiol Biotechnol

2009; 83: 397–413.

5. Müller WEG et al. The Role of biosilicia in the

osteoprotegerin/RANKL ratio in human osteoblast-like

cells. Biomaterials 2010; 31;

7716–7725.

6. Müller WEG et al. Osteogenic Potential of Biosilica

on Human Osteoblast-Like– (SaOS-2) Cells.

Calcif Tissue Int 2010; 87: 513–524.

7. Müller WEG et al. Silintaphin-1 – Interaction

with silicatein during structure-guiding biosilicia

formation; FEBS Journal 2011; 278:

1145–1155.

8. Müller WEG et al. Inorganic polymeric phosphate/polyphosphate

as an inducer of alkaline

phosphatase and a modulator of intracellular

CA +2 level in osteoblasts (SaOS-2 cells). Acta

Biomaterialia 2011; 7: 2661–2671.

Bildmaterial

● Nanostrukturen in der Natur: Eye of

science, Reutlingen: www.eyeofscience.

com

● Abbildungen Bürgerforum: Christian

Tschersich; www.c-s-t.net

● Nanostrukturen in Schwämmen:

Univ.-Prof. Dr. W. E. G. Müller, Institut für

Physiologische Chemie, Universitätsmedizin

der Johannes-Gutenberg-

Universität Mainz, 55099 Mainz;

wmueller@uni-mainz.de

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