Die von Spinnen produzierten Fäden sind fünfmal so reißfest wie Stahl und dreimal fester als die

Die von Spinnen produzierten Fäden sind fünfmal so reißfest wie Stahl und dreimal fester als die derzeit hergestellten besten synthetischen Fasern (Bild: TU München, Fotograf Naeser).

von Dr. Thomas Isenburg

(ba/ks). Kunststoffe, die die Eigenschaften von Metallen besitzen, stehen schon lange auf der Wunschliste der Werkstoffforscher. Aus der Natur kommt dafür eine Steilvorlage: die Spinnenseide. Die bisher ausschließlich von Spinnen abgesonderten Fäden sind fünfmal so reißfest wie Stahl und dreimal fester als die derzeit herstellbaren besten synthetischen Fasern.

Nun haben Forscher der TU München und der Universität Bayreuth Einblick in die Vorgänge der Natur nehmen können, so dass sie inzwischen in der Lage sind, die Fäden mit den begehrten Eigenschaften synthetisch herzustellen.

Die nützlichen Eigenschaften der Spinnenfäden sind schon seit der Antike bekannt. Bereits Aristoteles wusste von ihrer positiven Wirkung bei der Wundauflegung, wie Prof. Dr. Thomas Scheibel
von der Universität Bayreuth, einer der Ideengeber des biotechnologischen Prozesses zur Spinnen­seidenherstellung, herausstreicht.

Seit den 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts existierten immer wieder Versuche, das Material künstlich, also synthetisch, herzustellen. Zuletzt scheiterte Dupont mit einem Projekt, das 40 Mio US-Dollar verschlang und stellte die Forschungen zu dem Thema ein, denn die Herstellung größerer Mengen spinnenseideähnlichen Materials mit einer ansprechenden Technik gelang nicht.
Weltweit existieren weitere Anstrengungen, die begehrten Fasern synthetisch her
zustellen. Eine der Tücken der Produktion beschreibt Prof. Scheibel folgendermaßen: „Die Monomerbausteine der Polymerketten sind Proteine und benötigen eine angemessene verfahrenstechnische Behandlung. Sie werden dann zu längeren Ketten verknüpft.“

Diesen Herausforderungen stand Prof. Dr. Thomas Scheibel im Jahr 2001 gegenüber. Sein Münchner Kollege Prof. Dr. Horst Kessler kam im Jahr 2008 zu dem Projekt hinzu. Mittlerweile konnten die beiden Forscher ein biotechnologisches Verfahren so optimierten, dass das gewünschte Material mit ausreichenden Ausbeuten aus leicht zugänglichen Stoffen produziert werden kann. Danach kann das Material zu Fäden, Folien, Fließstoffen oder Schäumen mit kunststofftechnischen Verfahren verarbeitet werden.

Dr. Franz Hagn in der Arbeitsgruppe von Professor Horst Kessler an der TU München gelang es in Zusammenarbeit mit der Bayreuther Gruppe, die Strukturen der Endstücke der langen Eiweißketten aufzudecken. Er konnte die Rolle dieser Bausteine für die extreme Zugfestigkeit der Fäden im Detail charakterisieren. Die Natur nutzt hierbei zusätzliche Wechselwirkungen zwischen den Enden der Polymerketten, welche die Synthese-Chemiker bislang nicht kannten. „Die einzelnen Spinnenseiden-Moleküle sind im Seidenfaden auf raffinierte Weise miteinander verknüpft“, ist Kesslers Antwort auf die Frage, warum die Fäden eine derart hohe Stabilität aufweisen.

Mit den neuen Erkenntnissen zur Rolle der Polymer-Endstücke wurde nun die biotechnologische Herstellung der Spinnenseide-Fasern optimiert. Zur Herstellung und Vermarktung hat die TU München als Spin-Off die Amsilk GmbH gegründet. Diese stellt das Produkt unter dem Namen Biosteel her. Es seien Anwendungen für technische Hochleistungstextilien, Sportartikel, medizinische Textilien, chirurgische Fäden, Gewebeträgertextilien und Wundauflagen möglich. Eine Anwendung in der Medizintechnik könnte die Anwendung des Material in Arzneikapseln sein.

Der Privatdozent Dr.-Ing. Gunnar Seidel ist Bereichsleiter für Chemiefasertechnologie am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen. Auch er zeigt sich beeindruckt von den Eigenschaften: Hohe Reißfestigkeit und Dehnbarkeit, chemische Modifizierbarkeit, geringe Dichte und Biokompatibilität.
Anwendungen bei den faserverstärkten Kunststoffen sieht er jedoch noch nicht, weil die Dehnbarkeit zu hoch ist. Wirtschaftlich betrachtet sei es eine Frage der Produktionsmenge, was die Fasern letztlich kosten.

Eine Alternative zu den stark unter Preisdruck stehenden Carbonfasern sei Spinnenseide aus seiner Perspektive daher aktuell nicht. Viel mehr prognostiziert er wegen der hohen Wertschöpfung Anwendungen in der Medizintechnik. Seine Kollegen aus Bayern zur forscherischen Leistung beglückwünschend, sieht er in der neuen Technologie eine große Bereicherung durch die nun erreichte Verfügbarkeit von Spinnenseide in größerem Maßstab. Die Zukunft der Chemiefasertechnologie in Hochlohnländern liege nicht in der Tonnage, sondern in der Wertschöpfung, die über die Eigenschaften entsteht.

aus Produktion Nr. 22, 2013