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Neuartige Hydrogele als Funktionsmaterialien

Im „Projekthaus NanoBioMater“ entwickeln Stuttgarter Forscher Hydrogele mit integrierten biokompatiblen Gerüststrukturen. Dadurch sollen die Materialien fit gemacht werden für Innovationen in der Umwelt- und Nahrungsmittelanalytik und für medizinische Anwendungen. Diagnostische Biosensoren sind auf Basis der Hydrogele ebenso denkbar wie Implantate für die kontrollierte Abgabe medizinischer Wirkstoffe.

Das Organigramm des Projetkhauses "NanoBioMater" macht die hohe interdisziplinäre Vernetzung deutlich. Die Arbeiten ruhen auf den vier Säulen Molekulare-/Nanobausteine, Materialsynthese, Materialverarbeitung und Strukturanalytik/Biokompatibilität. © NanoBioMater, Universität Stuttgart

Hybridmaterialien aus biologischen und anorganischen Komponenten stehen zunehmend im Fokus der Forschung. Wissenschaftler der Universität Stuttgart sind – vernetzt mit dem benachbarten Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB – angetreten, um neuartige, robuste Hydrogele für die vielfältigsten Einsätze zu entwickeln. Im Frühjahr 2014 haben sie dafür ihre Kompetenzen aus Bio- und Ingenieurwissenschaften, Chemie, Materialwissenschaften und Physik in einem „Projekthaus NanoBioMater" zusammengeführt.

Hydrogele verdanken ihre weiche Konsistenz einem hohen Wasseranteil, worin sie vielen menschlichen und tierischen Geweben ähneln. Mithilfe von biobasierten Gerüststrukturen und Biomineralien wollen die Forscher Hydrogelen nun ein breites Funktionsspektrum verpassen. Sensorfunktionen sind ebenso angedacht wie Andock-Möglichkeiten für unterschiedliche Substanzen, die am Einsatzort des Hydrogels freigegeben werden können. Ein besonderer Clou: Das Team will auch Hydrogele entwickeln, die so robust sind, dass sie getrocknet und wieder rehydriert werden können. Das dürfte ihr Einsatzspektrum enorm erweitern. Die Carl-Zeiss-Stiftung war von dem Vorhaben so überzeugt, dass sie den Forschungsverbund seit 2014 vier Jahre lang mit insgesamt 750.000 Euro fördert. Mit rund 250.000 Euro unterstützt die Universität Stuttgart den interdisziplinären Ansatz.

Glossar

  • Antigene sind Fremdstoffe, die das Immunsystem zur Produktion von Antikörpern anregen.
  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Mit Kompetenz im biologischen Sinn ist die Eigenschaft eines Bakteriums gemeint, DNA von außen aufnehmen zu können.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Eine Zellkultur ist ein Pool von gleichartigen Zellen, die aus mehrzelligen Organismen isoliert wurden und in künstlichem Nährmedium für Forschungsexperimente im Labor (in vitro) gehalten werden.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
Verschiedene Lebensformen wie zum Beispiel diese Halomonas-Bakterien können kristalline Präzipitate ausscheiden. Das Prinzip dient als Modell bei der Entwicklung von Hydrogelen. © NanoBioMater, Universität Stuttgart

Prof. Dr. Christina Wege vom Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme der Universität Stuttgart koordiniert NanoBioMater gemeinsam mit Prof. Dr. Günter Tovar vom IGB und erklärt das Konzept: „Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert grundlegende Vorhaben, die das Potenzial für einen größeren Forschungsverbund haben. Diesen wollen wir 2017 auf Basis der erfolgreichsten Arbeiten aus NanoBioMater beantragen. Bis dahin lassen wir die Projekte zunächst in einer Art ‚natürlicher Evolution' voranschreiten. Im nächsten Jahr evaluieren wir im universitären Gesamtzusammenhang, welche Ansätze am vielversprechendsten sind und fokussieren uns dann darauf." Dabei ist die Gruppe nicht auf den Forschungscampus in Stuttgart-Vaihingen begrenzt. Die Forscher sind zum Beispiel auch mit dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV) und dem NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen sowie Kooperationspartnern an weiteren süddeutschen Universitäten, Max-Planck-Instituten und Firmen vernetzt. So wird der Ansatz auch im regionalen Maßstab vorangetrieben.

Strukturierung ist der Schlüssel zur Funktionalisierung

Die Montage zeigt, wie Tabakmosaikvirus-basierte Gerüst- und Funktionskomponenten (letztere sind hier mit Andock-Molekülen dargestellt) in die Hydrogelstruktur integriert sein können. © NanoBioMater, Universität Stuttgart

Wege selbst bringt mit ihrem Team einen hoch innovativen Ansatz aus der Pflanzenvirologie ein: Pflanzenvirus-Bausteine aus dem Tabakmosaikvirus, kurz TMV, können so umstrukturiert werden, dass sie geeignete Nanostrukturen als Gerüstsysteme für Hydrogele liefern. TMV besteht aus einer rund 300 Nanometer langen Röhre aus Hüllproteinen. Innerhalb dieser befindet sich das Erbmaterial in Form von RNA, die aber bei den geplanten Anwendungen nicht gebraucht und durch synthetische RNA-Varianten ersetzt werden kann. „TMV-basierte Konstrukte können so in allen möglichen Formen hergestellt werden, auch in Überlänge, geknickt und verzweigt sowie sternchenförmig", so Wege. Die Nanoröhrchen können mit Ankerstellen für unterschiedlichste Moleküle versehen werden. Wege nennt Beispiele für Anwendungen zur Zellkultur oder im menschlichen Körper: „Es könnten medizinische Wirkstoffe an die Virusstrukturen gekoppelt werden oder Moleküle, an die bestimmte Zelltypen andocken. Außerdem könnten Antikörper angebracht werden, mit denen beim Erkennen bestimmter Antigene eine Sensorfunktion ausgelöst wird."

Auch Systeme mit Enzymreaktionen sind angedacht. Damit könnten zum Beispiel Umweltschadstoffe und Toxine in flüssigen Medien nachgewiesen werden, was die Entwicklung von entsprechenden Testsystemen möglich machen würde. Für solche Einsätze wäre es besonders praktisch, wenn die Hydrogele eingetrocknet, gelagert und durch Rehydrierung wieder aktiviert werden könnten. Im Projekthaus wird an dieser Entwicklung bereits mit ersten Erfolgen gearbeitet. Hydrogele mit Enzymfunktion sind auch medizinisch interessant: Auf der Basis von oxidierenden Enzymen können zum Beispiel neuartige Glukose-Nachweissysteme für Blutzuckertests entwickelt werden. Wege erklärt deren Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren: „Durch die Röhrenstruktur bieten die TMV-Gerüste so viele Andockstellen auf ihrer Oberfläche, dass man sie in der Hydrogel-Reaktionsmatrix als Träger mit hoher Kopplungsdichte nutzen und entsprechend empfindliche Systeme entwickeln kann. Außerdem wurde bereits gezeigt, dass die Nanoröhren die Enzyme stabilisieren und diese dadurch länger gelagert werden können."

„Smart Biomaterials“ mit großem Zukunftspotenzial

Die Entwicklung von Hydrogel-Hybridmaterialien wird von mehreren Teams angegangen. Eines kümmert sich um die mokelulare Gelassemblierung und Verarbeitung, ein anderes um die Entwicklung passender Tabakmosaikvirus-Strukturen und ein drittes um die Biomineralisation. Durch Sprühtrocknung soll zudem die Bildung von Mikropartikeln ermöglicht werden und 3D-Druck erweitert die Einsatzmöglichkeiten. © NanoBioMater, Universität Stuttgart

Damit sind die Möglichkeiten der Hydrogele jedoch längst nicht erschöpft. Weitere Optionen bietet die Biomineralisierung. Die Anregung dazu kommt aus der Natur. Eine Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Franz Brümmer von der Universität Stuttgart, Abteilung Zoologie hat unter anderem den Seeigel als Modell gewählt. Die Tiere mineralisieren sowohl ihr Kalkskelett als auch Zähne und Nadeln. Die Erforschung verwandter, Peptid-vermittelter Abscheidungsvorgänge von kristallinen Präzipitaten fließt in Kooperation mit der Abteilung von Prof. Dr. Joachim Bill am Institut für Materialwissenschaften der Universität Stuttgart in die Entwicklung mineralisierter Hydrogele mit ein. Eines der Ziele ist es, Peptide so zu designen, dass sie die gewünschten festen Produkte aus gelösten mineralischen Salzen ausfällen. Durch Kopplung der Peptide an die viralen Nanostrukturen könnten zudem Überstrukturen erzeugt werden, die – entsprechende Prozesssteuerung vorausgesetzt – zu Materialien mit unterschiedlicher Festigkeit, Porosität und Funktionalität führen.

Besonderen Charme bekommt der Ansatz durch die Idee, Hydrogele im 3D-Druck herzustellen. Die Gele sollen schichtweise – mit oder ohne Biomineralisierungspeptide – gedruckt und dann gegebenenfalls biomineralisiert werden. „Dadurch wollen wir eine stabile, hierarchische Strukturierung erhalten und Materialien in handhabbarer Größe mit definierter Nanostruktur. So ließen sich voraussichtlich auch Verkapselungen für zellhaltige Implantate herstellen", sagt Dr. Alexander Southan, einer der interdisziplinären Teamleiter im Projekthaus.

Die ganze Breite der Anwendungsmöglichkeiten für Hydrogele mit Gerüststrukturen lotete das NanoBioMater-Team 2015 erstmals zusammen mit externen Wissenschaftlern aus, die im Juni 2015 zur Summer School in den Schwarzwald eingeladen wurden. „Rund 80 Studierende, Doktoranden und Wissenschaftler mit internationalem Renommee sind unserer Einladung gefolgt. Wir haben einen unglaublich intensiven, von Offenheit und Freude getragenen Austausch erlebt und wollen deshalb auch in den nächsten Jahren wieder ähnliche Veranstaltungen anbieten, darunter vom 27. bis 30. Juni 2017 eine erste internationale NanoBioMater-Konferenz", stellt Wege in Aussicht.

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