Werkstoffe: Medizin im Materialfieber (2. Teil)

von Wiebke Heiss / MEDICA.de15.12.2008

2. Teil: Bioglas aus dem Abyss


Ein bestimmtes Polymer ist es auch, das Werner Müller einige hundert Meter tief in das chinesische Meer verschwinden lässt. Der Molekularbiologe von der Universität Mainz ist auf der Suche nach neuen Materialien für die Medizin – und wirft einen Blick ins Meer auf der Suche nach Schwämmen, Weichtiere, die weltweit auf Riffen und Steinen sitzen und Wasser filtern.

Ein Schwamm: Glasfabrik im
Meer; © Werner Müller

Er interessiert sich für ihr Skelett aus Siliziumdioxid, der Hauptbestandteil von Glas. „Die Tiere stellen Glas in kaltem Meerwasser her, nadelförmige Gebilde mit Dornen, Knubbbeln oder Bällchen“, erklärt Müller. Wofür der Mensch höllisch heiße Temperaturen und giftige Chemikalien braucht, scheint der Schwamm einfach seine Gene einzusetzen.

Und tatsächlich: Müller und Kollegen entdeckten ein Protein im Schwamm und dazu einen vollkommen neuen Bildungsvorgang in der Natur: ein anorganisches Polymer, das Glas, wird aus einem organischem Enzym hergestellt. „So was hatte man bisher noch nicht beobachtet“, so Müller. Nun ist das Enzym patentiert und die Hoffnung groß, es biotechnologisch einzusetzen – zum Beispiel um Biomaterial herzustellen, auf dem man Knochengewebe züchten kann oder Titanimplantate, die nicht mehr vom Körper abgestoßen werden. Die Idee: Man müsste das Implantat mit dem Enzym des Schwammes überziehen, so dass auf der Oberfäche eine Biosilikathülle entstehen kann, die vom menschlichen Körper nicht als fremd und störend erkannt und abgestoßen wird.

Schwämme kommunizieren wie bei der Telekom

Aber die Schwämme können scheinbar noch mehr: Die Glasfasern des Skeletts sind qualitativ genau so gut wie Telekommunikationsglasfasern.

Dadurch, dass die Schwämme nur mit einer ganz bestimmten Lichtqualität arbeiten, weil die Glasfasern als eine Art Nanoröhre nur eine bestimmte Wellenlänge passieren lässt "hypothetisieren wir, dass Schwämme mit Licht kommunizieren". Zwickt man nämlich das Weichtier, dann zuckt es zusammen – obwohl es kein Nervensystem hat. "Die Reize kommen also an", sagt Müller. Die Glasfaser als außergewöhnliche Nervenbahn könnte ganz neue Denkanreize für die Forschung geben.

Mit Nanoröhrchen auf den Mond und zurück

Vollkommen neue Denkanreize erhoffte sich die wissenschaftliche Welt auch von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). „In der Theorie ist ein einzelnes Nanoröhrchen so stark, dass man von der Erde bis zum Mond ein Seil spannen könnte, an dem ein Lift herauf- und herunterfahren würde", sagt Uwe Vohrer, Doktor am Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik. Als man die Röhrchen vor zehn Jahren entdeckte, hatten Visionen Hochkonjunktur.

CNTs besitzen nämlich ganz spezielle Eigenschaften: Sie sind leicht, haben eine besondere elektrische Leitfähigkeit, sie sind mechanisch stabil. „Man dachte: Wenn ich die CNTs in anderes Material einarbeite, dann bekommen die auch neue Eigenschaften“, so der Leiter des Bereichs Oberflächenanalytik. Aber die Eigenschaften einer einzelnen Faser sind eben nur die halbe Wahrheit. Und so ließ die Euphorie schnell nach und Materialwissenschaftler wenden sich dem Material nun mit sorgfältiger Forschung zu.

Das ist für die Medizin besonders wichtig, da man vor Jahren dachte, dass die Röhrchen nicht giftig sind, sie bestehen schließlich nur aus Kohlenstoff. Aber sie sind doch leicht toxisch – wegen ihrer geringen Größe, mit der sie tief in den Körper eindringen können, oder aber wegen Verunreinigungen bei der Herstellung. „Ein Vergleich mit dem giftigen Asbest ist aber nur bedingt gültig“, sagt Vohrer. „Nur CNTs von einer ganz bestimmten Länge lösen Reizungen im Bauchraum von Mäusen aus.“ Aber dennoch muss der neue Werkstoff nun genau geprüft werden, bevor CNTs im Menschen zum Einsatz kommen können.

Anwendungen außerhalb des Körpers untersuchen Vohrer und sein Team aber schon: Sie wollen zum Beispiel Knochenmarkszellen auf Bucky Paper, einem ultradünnen Papier aus Nanoröhrchen, züchten, um sie dann in den Körper zu implantieren. „Wir arbeiten auch daran, CNTs als künstlichen Muskel zu nutzen, um eine Prothese außerhalb des Körpers zu bewegen“, so Vohrer. Die Theorie: Die winzigen Röhrchen verhalten sich ähnlich wie ein menschlicher Muskel, wenn sie sich bewegen. Also könnten sie theoretisch auch als Muskel einer Handprothese fungieren. Das Problem: Das funktioniert bis jetzt erst im Mikrometerbereich – man die Fasern aber im Zentimeterbereich braucht.

Es gibt also noch viele technische Schwierigkeiten. „Aber CNTs haben eine Zukunft“, davon ist Vohrer überzeugt. „Man nennt es auch das Material des 21. Jahrhunderts, weil es so viele verschiedene Einsatzgebiete dafür gibt.“ Findet man keines in der Medizin, so steckt der Werkstoff mittlerweile zumindest schon in Fässern, damit diese sich nicht mehr elektrostatisch aufladen und explosive Stoffe transportiert werden können.

- 1. Teil: Medizin im Materialfieber
- 2. Teil: Bioglas aus dem Abyss
- 3. Teil: Verstärker auf Nanoebene