Biotransformation von Kunststoffen

Mehr als Bionik 4.0

  • Abb.1: Herstellung von Folien im Verarbeitungstechnikum für Biopolymere des Fraunhofer IAP auf dem BASF-Gelände in Schwarzheide. (c) Fraunhofer IAP, Fotograf: Till BuddeAbb.1: Herstellung von Folien im Verarbeitungstechnikum für Biopolymere des Fraunhofer IAP auf dem BASF-Gelände in Schwarzheide. (c) Fraunhofer IAP, Fotograf: Till Budde
  • Abb.1: Herstellung von Folien im Verarbeitungstechnikum für Biopolymere des Fraunhofer IAP auf dem BASF-Gelände in Schwarzheide. (c) Fraunhofer IAP, Fotograf: Till Budde
  • Abb. 2: Prüfung der Biofunktion nach Integration von Biomolekülen in Polymere.  (c) Fraunhofer IAP, Fotograf: Till Budde
  • Abb. 3: Mit dem Verarbeitungstechnikum für Biopolymere auf dem BASF-Gelände in Schwarzheide, welches das Fraunhofer IAP seit 2013 in direkter Nachbarschaft zum Campus Senftenberg betreibt, wird die notwendige Verarbeitungskompetenz eingebracht (c) Fraunhofer IAP, Fotograf: Till Budde
Integration von biologischer Funktionalität in Materialien geht über das schlichte »Lernen von der Natur« (Bionik) hinaus und verfolgt das Ziel, funktionale Bausteine der Natur direkt in Kunststoffe einzubauen – unter Erhalt ihrer Funktionalität.
 
 
Moderne Methoden der Molekularbiologie, der Biotechnologie, der Polymerchemie und der Materialwissenschaften ermöglichen diesen Funktionseinbau in fachübergreifender Forschung. Innovative funktionelle Materialien mit herausragenden Eigenschaften und Funktionen sind das Ergebnis. Biomoleküle wie Proteine, Peptide oder Kohlenhydrate direkt in Polymere einzubauen, transformiert deren natürliche Funktion in ein Material. So werden Filtration durch Proteinporen, Biokatalyse an dünnen Schichten und zuckervermittelte Diagnostik greifbar. Diese Entwicklungen auf molekularer Ebene ermöglichen den nächsten Schritt: es können Strategien entwickelt werden, um labile Biomoleküle und thermoplastische Kunststoffverarbeitung, als scheinbar unvereinbare Gegensätze, zu vereinen. So werden biofunktionelle Kunststoffe auch in technischen Maßstäben produzierbar und einsetzbar.
 
Herstellung biofunktioneller Kunststoffe
Im Allgemeinen können zwei Ansätze zur Herstellung biofunktioneller Kunststoffe verfolgt werden. Der deutlich einfachere Ansatz, da er in der Vergangenheit intensiv beforscht wurde, ist die Oberflächenbeschichtung mit funktionalen Biomolekülen. Hier werden dünne Polymerschichten genutzt, um Proteinporen auf Oberflächen zu bringen oder um Enzyme zu immobilisieren, oder Biosensoren mit Erkennungsstrukturen beschichtet. Allen Ansätzen ist gemein, dass diese „Bio-Grenzflächen“ einerseits eine limitierte Haltbarkeit gegenüber Abrasion aufweisen und andererseits die Möglichkeit der großflächigen Beschichtung von Bauteilen mit funktionalen Biomolekülen bisher kaum untersucht wurde.
Technisch und wissenschaftlich interessanter, aber gleichzeitig auch deutlich anspruchsvoller, ist der Einbau von Biobausteinen in die Polymermatrix während der Verarbeitung. Typischerweise werden thermoplastische Kunststoffe bei Verarbeitungstemperaturen zwischen 100 und 250°C mit Verweilzeiten von etwa 3 bis 5 Minuten und Prozessdrücken von 20 bis 1000 bar gehandhabt.

Umformungsschritte zum Compound, Halbzeug und finalen Produkt erfordern unter Umständen das Wiederholen des Prozessfensters, sodass die Materialbelastung deutlich ansteigt. Wie können diese „unbiologischen“ Bedingungen mit funktionalen, labilen Biobausteinen zusammengebracht werden?

Die Herausforderung bei der großtechnischen Herstellung biofunktioneller Materialien liegt in der Notwendigkeit neuer Verarbeitungstechnologien und angepasster Verarbeitungsverfahren. Je nach Ursprung handelt es sich bei den eingesetzten funktionellen biologischen Einheiten um empfindliche Strukturen, die bei der Nutzung von derzeitigen Standardverfahren ihre Funktion verlieren könnten. Des Weiteren handelt es sich bei biologischen Systemen meist um wässrige bzw. Grenzflächensysteme, für die eine entsprechende neue Verarbeitungstechnologie entwickelt werden muss. Dieser Ansatz, der Blick auf die eigentliche Verarbeitungstechnologie, läuft jedoch Gefahr, bereits bestehende etablierte Prozesse derart zu verändern, dass diese nicht mehr technisch attraktiv erscheinen oder die Materialqualität leidet.
Vereinfacht betrachtet müssen die Denaturierungstemperatur, bei der die Biobausteine ihre Funktion verlieren, mit der Verarbeitungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffe in Einklang gebracht werden. Dies kann durch eine geeignete Auswahl sowie durch Modifikation der Biobausteine erreicht werden.
Eine erstaunliche Temperaturstabilität kann bei kurzkettigen, definierten Peptiden gefunden werden, die daher hervorragend geeignet sind, um eine Prozessierung bei erhöhten Temperaturen zu überstehen. Funktionalitäten können so vor allem im Bereich von antimikrobiell wirksamen oder kontrolliert haftenden Kunststoffen erreicht werden. Hierfür werden u. A. antimikrobielle (Anker-)Peptide genutzt. Diese benötigen teilweise eine höhere Bewegungsfreiheit, z. B. wenn sie sich zu Porenstrukturen anordnen müssen. Dies muss bei der Verarbeitung berücksichtigt werden und führt zum Einsatz von speziellen Polymeren, oder Peptiden, die beispielsweise durch ionische Interaktionen Wirkung zeigen und daher weniger Freiheitsgrade benötigen.
Vergleichsweise temperaturstabile Biomoleküle sind Glykane (Saccharide), die sich unter Funktionserhalt (Hydrophilie und Wechselwirkung mit Zellen sowie Proteinen) in Polymere einbringen lassen. Es können ebenso sog. Glykopolymere, Hybridstrukturen aus synthetischen Polymeren und definierten Glykanen, hergestellt werden, die als Oberflächenbeschichtungen großes Anwendungspotential im Life-Science-Bereich zeigen. So vermögen verschiedene pathogenassoziierte Proteine diese Strukturen selektiv und mit hoher Affinität zu binden, was die Möglichkeit von neuen, schnellen Diagnosemethoden und zuckerbasierten Therapieformen eröffnet.
 
Herstellung von katalytisch aktiven Materialien
Die Königsdiziplin ist ohne Zweifel die Herstellung von katalytisch aktiven Materialien durch den direkten Einbau von Enzymen in thermoplastische Kunststoffe. Obwohl einige hitzestabile Enzyme, die Temperaturen um 100 °C standhalten, schon lange bekannt sind, ist das Gros der Biokatalysatoren für einen Einsatz bei moderaten Temperaturen bis ca. 40 °C ausgelegt. Höhere Temperaturen führen folglich zur Denaturierung und potentiell irreversiblen Aktivitätsverlust. Dem kann jedoch durch Modifikationen entgegengewirkt werden. Neben molekularbiologischen Möglichkeiten, die durch Mutationen und Aminosäureaustausch temperaturstabilere Varianten erzeugen, können auch nieder- und hochmolekulare Additive genutzt werden, um eine Stabilisierung der Enzyme zu erreichen. Zahlreiche Ansätze wie z. B. die Konjugation von Polymerketten an Proteine, der Einsatz von Sacchariden wie Trehalose zur Erhöhung der Trocknungs- und Temperaturstabilität sowie die Darstellung von CLEAs (chemically linked enzyme aggregates) sind hier zu nennen. Insbesondere letztere haben das Potential, essentiell für den Einbau von temperaturlabilen Biobausteinen in Polymere zu sein, sofern es gelingt, die bisherigen nasschemischen Laboransätze in technische Prozesse zu überführen. CLEAs sind dichte Proteinnetzwerke, die durch zeitgleiches Fällen eines Proteins aus einer Lösung und dessen Quervernetzung meist durch Glutaraldehyd hergestellt werden, sodass die Proteine intrinsisch stabilisiert werden. Neben dem Upscaling müssen hier insbesondere nicht-toxische Quervernetzungsmethoden entwickelt werden, die für eine Vielzahl von Biomolekülen einsetzbar sind. Eine Möglichkeit sind moderne Synthesetechnologien wie mikrowellengestützte Reaktionen, die eine ungiftige Quervernetzung von Biomolekülen auch bei tiefen Temperaturen und z. T. lösungsmittelfrei ermöglichen.
 
Neuartige Materialien mit nhohem industriellem Potenzial
Für die Verarbeitung von biofunktionellen Polymeren zu neuartigen Materialien sind neben klassischen Werkstücken u. a. auch Fasern, Folien, Schäume und Vliese angedacht. Hierbei besteht ein hohes industrielles Potenzial in Medizintechnik, Textilindustrie, Automobilbau, Chemieindustrie, Polymer­elektronik und Umwelttechnologie. Die Funktionen der Natur von (anti)-Haft, anti-Eis, anti-mikrobiell, anti-Fouling bis hin zu Theranostik und katalytisch aktiven Materialien eröffnen ein weites Feld der Anwendungen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Bioabbaubarkeit, die je nach eingesetztem Biobaustein einerseits zu einer Reduktion der Haltbarkeit des Bauteils führen könnte, andererseits Bioabbaubarkeit überhaupt erst ermöglichen kann. Auf die Haltbarkeit und Standzeit der Materialien wird ein besonderes Augenmerk gelegt, da diese von essentieller Bedeutung für den industriellen Einsatz biofunktioneller Kunststoffe ist und die Bioabbaubarkeit selbst eine wichtige zu integrierende Materialfunktion darstellt. So könnte der Einbau von Esterasen, Lipasen und Laccasen genutzt werden, um selbst petrobasierte Kunststoffe wie PE oder PET bioabbaubar werden zu lassen - ohne Mikroplastik.
 
Ausblick
Die Biotransformation der Polymere hat begonnen und wird nicht nur zu zukunftweisenden, nachhaltigen und funktionalen Materialien führen, sondern ebenso technische Prozesse unterstützen, oder der Gesundheit dienen. Dabei gilt es nicht nur von der Natur zu lernen, sondern ihre ausgereiften Funktionen zu nutzen und letztlich mit ihr zu interagieren.
 
 
Autoren

Ruben R. Rosencrantz1, Jens Balko1, Thomas Büsse1, Johannes Ganster1

Zugehörigkeiten
1 Fraunhofer-Institut für Polymerforschung IAP, Potsdam-Golm, Deutschland

Kontakt
Dr. Sandra Mehlhase

Fraunhofer-Institut für Polymerforschung IAP
Potsdam-Golm, Deutschland
sandra.mehlhase@iap.fraunhofer.de

 

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