Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mechanische Eigenschaften biologischer Nanomaterialien entschlüsselt

09.10.2007
Durchbruch für Medizin und Materialforschung

Große Fortschritte bei der Entwicklung neuer, multifunktionaler Materialien, aber auch für das Verständnis von Krankheiten wie Alzheimer versprechen Untersuchungen im Rahmen eines Kooperationsprogramms zwischen dem Institut für Angewandte und Experimentelle Mechanik der Uni Stuttgart und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT): Erstmals ist es den Wissenschaftlern gelungen, mit Hilfe von atomistischen Berechnungen fundamentale Bruchmechanismen von biologischen Materialien zu erklären.

Darauf aufbauend entwickelten sie eine Theorie, die es ermöglicht, die Festigkeit und Robustheit von biologischen Nanostrukturen vorherzusagen. Über die Arbeit wird die renommierte amerikanische Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" als Titelthema ihrer Ausgabe 42 vom 16. Oktober berichten.*)

Warum ist Spinnenseide stärker als Stahl? Was macht Knochen so fest und verformbar zugleich? Wieso können Zellen auf ein vielfaches ihrer ursprünglichen Länge reversibel verformt werden? Und welche molekularen Mechanismen führen zu mechanischen Fehlfunktionen von Proteinen, was bei Krankheiten wie Alzheimer, vorzeitiger Alterung oder degenerativen Muskelerkrankungen eine zentrale Rolle spielt? Die Ursache all dieser Phänomene sind intelligente, multifunktionale biologische Nanostrukturen.

Die Eigenschaften dieser Strukturen wollen die Wissenschaftler entschlüsseln, um sie in Form neuer Materialien für den Menschen nutzbar zu machen oder auf neuen Wegen genetische Krankheiten zu heilen. Dabei verfolgt die Gruppe um Projektleiter Prof. Markus Buehler vom MIT und Theodor Ackbarow, Austauschstudent der Uni Stuttgart am MIT, einen Ansatz, bei dem das mechanische Verhalten auf atomarer Ebene durch Simulationen auf Hochleistungscomputern untersucht wird und Rückschlüsse auf makroskopische Beobachtung gezogen werden.

Dabei ist jetzt ein Durchbruch gelungen. Zum ersten Mal konnten auf atomarer Ebene Deformationsmechanismen von Proteinmaterialien im Cytoskelett der Zelle und in Amyloid-Fasern, wie sie bei Alzheimer vorkommen, erklärt werden. "Das Besondere an biologischen Proteinmaterialien ist, dass sie meist aus sehr 'weichen' Wasserstoffbrückenbindungen aufgebaut sind", erklärt Ackbarow.

Dennoch erreichen biologische Materialien hohe Festigkeiten, ähnlich derer von Glas oder Stahl. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Existenz von hierarchischen Materialstrukturen von Nano zu Makro der Schlüssel zum Erreichen dieser außergewöhnlichen Eigenschaften ist. Die hierarchischen Strukturen erlau-ben es, scheinbar widersprüchliche Materialeigenschaften wie Festigkeit und Robustheit oder Selbstheilung und Selbstadaptation miteinander zu vereinen und zudem die schwachen chemischen Bindungen zu verstärken. Dadurch ist es möglich, trotz schwacher chemischer Bindungen belastbare, sich ständig an die Umgebung anpassende Materialien zu erzeugen. "Wir konnten nachweisen, wie in biologischen Materialien Hierarchien als eine weitere Designvariable verwendet werden, um den Konflikt zwischen Robustheit und Festigkeit, der in synthetischen Materialien vor-liegt, aufzuheben", so Prof. Buehler. "Dies eröffnet neue Wege zur Materialsynthese und wird zum Verständnis vieler Krankheiten beitragen."

Vorhersage für mechanische Eigenschaften von Proteinstrukturen

Die Forscher haben beobachtet, dass aufgrund der hierarchischen Struktur je nach Verformungsgeschwindigkeit verschiedene Deformations- und Bruchmechanismen auftreten. Wenn sich zum Beispiel eine Zelle aktiv verformt, treten Mechanismen auf, die dafür sorgen, dass das Gewebe weich bleibt und somit die Verformungen unter minimalem Energieauf-wand möglich sind. Wirkt hingegen eine Schocklast auf das Gewebe ein, werden andere Bruchmechanismen aktiviert, die zu einer lokalen Verfestigung des Materials führen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen konnten die Forscher erstmals ein Festigkeitsmodell entwickeln, das es ermöglicht, ausschließlich aufgrund der Eigenschaften der chemischen Verbindungen und der Geometrie der Moleküle die mechanischen Eigenschaften von Proteinstrukturen vorherzusagen. Das ist der erste Schritt, um biologische Materialien zu entwickeln, die sich nicht nur selbst einer Belastung anpassen oder sich selbst regenerieren können, sondern auch bei moderaten Temperaturen herzustellen sind.

Die Ergebnisse entstanden im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Institut für Angewandte und Experimentelle Mechanik der Uni Stuttgart (Leitung Prof. Lothar Gaul) und dem MIT Laboratory for Atomistic and Mo-lecular Modeling von Prof. Markus Buehler, der selbst an der Universität Stuttgart studierte und promovierte. Dipl.-Ing. Theodor Ackbarow, der bis Juli 2007 an der Uni Stuttgart Technologiemanagement studierte, leistete wesentliche Beiträge an der Planung, Durchführung und Auswertung der virtuellen Experimente sowie an der Entwicklung der Festigkeitstheorie.

*)Theodor Ackbarow, Xuefeng Chen, Sinan Keten, Markus J. Buehler: "Hierar-chies, multiple energy barriers and robustness govern the fracture mechanics of alpha-helical and beta-sheet protein domains", Proc . Nat'l Academy of Sciences USA, Vol. 104 (42), pp. 16410-16415, 2007.

Weitere Informationen bei Prof. Markus Buehler, MIT, e-mail mbuehler@MIT.EDU, sowie bei Dipl.-Ing. Theodor Ackbarow (in Germany), Tel. 08531/31173, Mobil: 0176/700 52 123, e-mail: ackbarow@MIT.EDU.

Ursula Zitzler | idw
Weitere Informationen:
http://www.pnas.org/papbyrecent.shtml

Weitere Berichte zu: Alzheimer Bruchmechanismen Festigkeit Robustheit

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide
20.01.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Metamaterial: Kettenhemd inspiriert Physiker
19.01.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise