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Seidenspinner: Von der Seide zum Super-Bio-Plastik

Seidenspinner: Von der Seide zum Super-Bio-Plastik | Video verfügbar bis 05.08.2022

Seit Jahrtausenden nutzen Menschen den Faden der Seidenspinner-Raupe, um daraus leichte, edle Stoffe zu weben. Doch erst vor wenigen Jahren haben Forscher der Tufts University in Boston das wahre Potenzial der Seide erkannt. Sie lässt sich zu einer Art Super-Bio-Plastik verarbeiten. Ein Material mit atemberaubenden Eigenschaften, das in vielen Bereichen wie Medizintechnik, Optik oder Mechanik eingesetzt werden kann. Dafür musste die Seide allerdings ihre feste Form verlieren und sich wieder in ihren Urzustand verwandeln.

Die Forscher haben einen Weg gefunden, aus Seidenkokons wieder das Sekret herzustellen, das die Seidenspinner-Raupe in ihren Drüsen produziert. In einem mehrstufigen Verfahren lösen sie zunächst die Kokons in einer alkalischen Lösung auf und filtern dann die Bestandteile der Seide heraus. Das Ergebnis ist eine klare, leicht klebrige Flüssigkeit. Die Basis für die verschiedenartigsten Produkte aus Seide.

Seidenprotein-Fasern und Klebstoff Sericin bilden Faden

Prof. Fiorenzo Omenetto
Fasziniert vom Seidenspinner: Prof. Fiorenzo Omenetto.

Der Faden der Seidenspinner-Raupe besteht aus Seidenprotein-Fasern und dem Klebstoff Sericin. Diese beiden Zutaten verketten sich zu einem sehr belastbaren Strang. Die Seidenfasern finden dabei von alleine ihren Platz im Gefüge und ordnen sich mit dem Klebstoff zu einer gleichmäßigen Struktur. Damit die Raupe nicht innerlich durch ihr Sekret verklebt, bevor sie den Faden spinnen kann, fügt sie dem Grundrezept noch Wasser hinzu. Die Wassermoleküle wirken wie Transportsicherungen, die sich zwischen den Klebstoff und die Seidenfasern schieben. So bleibt die Seidensubstanz flüssig. Erst beim Herauspressen aus den Drüsen am Kopf der Raupe verdunstet das Wasser und die flüssige Seide verkettet sich zu dem trockenen, festen Faden.

Die Forscher der Tufts University lassen das Wasser aus ihrem flüssigen Seidengemisch einfach verdunsten. Das dauert länger als der Prozess, den der Seidenspinner im Laufe der Evolution perfektioniert hat, aber es funktioniert genauso. Die Seidenproteine ordnen sich, verketten sich mit dem Sericin und bilden eine stabile Struktur. Und es sind noch ganz andere Formen und Anwendungen möglich, als ein Seidenfaden.

Blutgefäße, Knochen oder Impfkissen aus Seide

Knochen aus Seide
Prototyp eines mit Seide gedruckten Knochens.

Die Forscher im sogenannte SilkLab der Tufts University fanden bald heraus, dass sich, je nach Verfahren, sehr harte oder weiche und flexible Produkte aus Seide herstellen lassen. Sie begannen mit verschiedenen Gussformen zu experimentieren und waren bald in der Lage, künstliche Blutgefäße herzustellen. Dass Seide vom körpereigenen Immunsystem nicht abgestoßen wird, ist schon länger bekannt. Die Forscher im Silklab fanden nun noch einen Weg, ihre Seidenprodukte so herzustellen, dass sie sich im Körper nach einer definierten Zeit auflösen. Zwischen Stunden und Jahren ist alles möglich. Die künstlichen Seiden-Blutgefäße könnten so als Rankgerüst für Körperzellen dienen und sich auflösen, wenn der Körper wieder eigene Blutgefäß gebildet hat. Doch nicht nur das: Die Wissenschaftler befüllten 3D-Drucker mit dem Seidengemisch und waren bald in der Lage, komplexe Strukturen zu drucken. So erstellten sie ein Knochenersatzteil, das nach Wärmebehandlung im Ofen sogar hart und belastbar war.

Da der Grundstoff der Seide flüssig ist, lässt er sich auch mit Medikamenten mischen und kombinieren. Wirkstoffe, die in der Struktur der Seide eingeschlossen werden, bleiben darin haltbar wie in einem Kühlschrank. Die Kühlung von Impfstoffen beispielsweise wäre nicht mehr nötig. Das brachte die Seidenforscher auf eine weitere Idee: Sie konstruierten eine Gussform für ein kleines Pflaster mit mikroskopisch feinen Nadeln. Gefüllt mit einem Wirkstoff-Seidenmix entstand ein "microneedle patch", eine Art Seidenpflaster das wie ein winziges Nagelbrett aussieht. Es soll mit seinen Nadeln die Haut durchdringen und dann kontinuierlich das Medikament abgeben – Anwendung und Darreichung in einem Produkt.

Biologischer Ersatz für Plastik?

Es wird noch Jahre dauern, bis diese Entwicklungen in der Medizintechnik zur Anwendung kommen können. Überall da wo es um Gesundheit geht, müssen aufwändige und teure Studien durchgeführt und Zulassungsverfahren durchgestanden werden. Das stört die Seidenforscher aber nicht. Denn die Medizin ist nicht das einzige Anwendungsgebiet für ihren Wunderstoff. Längst haben sie auch Alltagsgegenstände aus Seide hergestellt. Überall dort, wo derzeit Plastik eingesetzt wird, ist auch ein Ersatz aus Seide denkbar. So trinken einige Seidenforscher in Boston ihren Kaffee bereits aus Seiden- statt aus Plastikbechern. Die sind im Gegensatz zur Kunststoffvariante vollständig biologisch abbaubar. Ein Problem ist derzeit allerdings der Preis. Denn Seide ist noch viel zu teuer. Ein Seiden-Kaffeebecher kostet in der Herstellung etwa sieben Dollar. Die Plastikvariante hingegen nur einen Bruchteil davon.

Seide ernten

 Seidenkokons
In Asiene werden in gigantischen Zuchtanlagen Millionen Seidenspinner-Raupen gefüttert, bis sie sich verpuppen und dafür den begehrten Seidenkokon um sich herum spinnen.

Bislang ist es nicht gelungen, das Seidensekret, das die Seidenspinner-Raupe in ihrem Körper produziert, synthetisch herzustellen. Deshalb sind die Forscher immer noch auf die Mithilfe des Insekts angewiesen. Hilfreich ist dabei, dass Seide in Asien in industriellem Maßstab "angebaut" und "geerntet" wird. In gigantischen Zuchtanlagen werden Millionen von Seidenspinner-Raupen gefüttert, bis sie sich verpuppen und dafür den begehrten Seidenkokon um sich herum spinnen. Die Raupe des Seidenspinners ist sehr genügsam. Sie braucht nur Maulbeerblätter, um zu wachsen. Vom winzigen Ei bis zur Verpuppung nimmt sie das 10.000-fache ihres Gewichts zu. Der Kokon besteht aus einem einzigen circa 1.000 Meter langen Faden, den die Raupe als Schutzhülle um sich herum gesponnen hat. Sind die Kokons fertig, werden sie von den Mitarbeitern der Zuchtfarmen eingesammelt, und getrocknet. Die Insekten im Inneren werden dabei abgetötet. Ein Kilo Seidenkokons kostet auf dem Weltmarkt ab 20 Dollar aufwärts. Der komplizierte Prozess der nötig ist, um die Seide wieder flüssig zu machen, verteuert die Sache dann noch zusätzlich.

Intelligente Tinte und Sensoren

Aus der klebrigen, flüssigen Seide ziehen die Forscher einen Faden.
Aus der klebrigen, flüssigen Seide ziehen die Forscher einen Faden.

Die Anwendungsmöglichkeiten der flüssigen Seide sind vielfältig. Ständig entwickeln die Wissenschaftler neue Ideen. So haben sie eine Tinte auf Seidenbasis hergestellt, die erst sichtbar wird, wenn sie zum Beispiel mit UV Licht bestrahlt wird. Andere Tinten verfärben sich, wenn sie mit schädlichen Bakterien in Kontakt kommen. Mit diesen besonderen Seiden-Tinten ließen sich beispielsweise Einweghandschuhe mit unsichtbaren Warnhinweisen bedrucken. Diese würden sichtbar, wenn sich der Träger in einer schädlichen Umgebung befindet. Denn Menschen haben keine Sensoren für Keimbelastung oder UV-Strahlung. Die Seidentinte würde die Gefahr anzeigen.

Aber auch die Kombination mit Mikroelektronik ist denkbar. So könnte Seide als Trägersubstanz für kleine Sensoren dienen, die, verschluckt oder implantiert, im Körper Daten sammeln und per WLAN nach außen übermitteln. Ärzte hätten einen ganz neuen Einblick in die Körper ihrer Patienten. Die Seidenforscher an der Tufts University sehen ihren Wunderstoff als eine Plattform für diverse Anwendungen.

Das Potenzial ist vorhanden. Wenn sich flüssige Seide irgendwann günstig und in industriellem Maßstab produzieren ließe, wäre das der Durchbruch. Seide könnte Plastik dann in vielen Bereichen des Lebens ersetzen. Noch allerdings kann nur der Seidenspinner die langkettigen Proteine und den dazugehörigen Klebstoff herstellen.

Autor: Björn Platz (NDR)

Stand: 04.08.2017 14:16 Uhr