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Medizintechnik

Haut als perfektes Vorbild

11.12.2012  19:09 Uhr

Von Ev Tebroke / Sie ist flexibler Panzer, antimikrobieller Säuremantel, funktioniert als Leitungssystem von Feuchtigkeit oder optimiert das Strömungsverhalten. Die Haut unterschiedlichster Lebewesen hat diverse faszinierende Eigenschaften. Oftmals liefern ihre Strukturmodelle Erkenntnisse, die in der Technik von großem Nutzen sind.

Beim Betrachten von gehäuteter Schlangenhaut stellte sich Marie-Christin Klein die entscheidende Frage: »Wieso ist diese Haut eigentlich trotz permanenter Reibung mit dem Untergrund nicht zerschlissen?« Die Doktorandin des Zoologischen Instituts der Uni Kiel wollte es genau wissen. Zusammen mit Stanislav Gorb, Professor für funktionelle Morphologie und Biomechanik am Institut, erforschte sie anhand von vier Schlangenarten das Geheimnis deren Haut – und gewann Erkenntnisse, die zur Entwicklung besonders verschleißarmer Materialien beitragen können.

»Die Ergebnisse haben uns überrascht«, sagt Klein. Trotz unterschiedlicher Lebensstile weisen alle Schlangen die gleiche Hautarchitektur auf. »Nach außen hart und zum Körperinneren weich und biegsam, wie eine Art flexibler Panzer«, so die Wissenschaftlerin. Die Gradienten der Materialeigenschaft erreichen die einzelnen Arten dabei auf unterschiedliche Weise.

 

In der Annahme, dass sich die Schlangen in ihrer Hautarchitektur unterscheiden, hatten die Forscher vier Schlangenarten aus unterschiedlichen Lebensräumen ausgewählt: Die im tropischen Regenwald beheimatete Regenbogenboa bewegt sich sowohl auf Bäumen als auch im Wasser oder zu Land. Die Sandboa hingegen lebt ausschließlich in der Wüste. Als rein terrestrisch lebendes Exemplar wählten die Wissenschaftler die Kettennatter. Da­rüber hinaus wurde die Grüne Baumpython untersucht, die ausschließlich auf Bäumen lebt. »Alle vier Arten haben zwar unterschiedliche Abnutzungs- und Verschleißmuster und auch die generelle Mikrostrukturierung der Schuppen ist unterschiedlich«, so Klein. Das flexible Panzer-Prinzip sei aber bei allen Schlangen gleich.

 

Damit sie sich optimal fortbewegen können, haben Schlangen eine Hautstruktur entwickelt, die die Reibung optimiert, gleichzeitig aber den Verschleiß minimiert. Durch die gewonnenen Erkenntnisse über den Aufbau des Schlangenhautsystems können nun beispielsweise optimierte medizinische Prothesen entwickelt werden. So wäre laut Klein bei Hüftprothesen denkbar, zwischen Prothesenkopf und -pfanne eine Mikrostrukturierung aufzubringen, die denen der Schlangenhaut nachempfunden ist. Mit dem Effekt, dass die Prothese besser und gleichzeitig verschleißarmer arbeitet.

 

Das Hautprinzip der Schlange ist auch für Materialien in der Antriebs- und Fördertechnik interessant. Demnach ließe sich der Einsatz von Schmierstoffen minimieren, wenn solch eine Mikrostruktur direkt in betreffende Maschinenkomponenten eingelasert werde, so die Wissenschaftlerin.

 

Das Interesse der Wirtschaft an den Erkenntnissen ist groß. »Wir sind bereits in ein Projekt integriert«, sagt Klein. Auch das Bundesministerium für Wirtschaft und Forschung sei da­ran beteiligt. »Unsere ursprüngliche Idee war, ein trockenes Reibungssystem zu entwickeln, um den Einsatz von Schmierstoffen zu minimieren«, so die Doktorandin. Mit den jetzt gewonnenen Erkenntnissen könnten die teuren und umweltbelastenden Schmierstoffe sogar komplett überflüssig werden. Der Schlangenhaut sei Dank.

 

Auch andere Tierhäute weisen inte­ressante Mikrostrukturen auf, die der Industrie als Vorbild dienen. So haben Wissenschaftler der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen die Strukturen von Echsenhaut erforscht, um deren Feuchtigkeit leitende Fähigkeiten auf technische Bauteile zu übertragen. Vorbild ist die Schuppenstruktur texanischer Krötenechsen und australischer Dornteufel, die in sehr trockenen Regionen leben. Sie ist so aufgebaut, dass sie kleinste Wassermengen aus der Umgebung auffangen und ihre Haut damit befeuchten kann.

 

Feinste Kapillaren transportieren die Feuchtigkeit dann zum Maul der Echsen. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie sollen nun im Forschungsprojekt »BioLas.exe« diese bionischen Strukturen mittels sogenannten Laserstrukturierens auf Werkstoffe übertragen werden. So könnten auch hier Schmierstoffe besser auf technische Bauteile verteilt werden, wodurch sich der Verschleiß verringert.

 

Die Haut von Haien wiederum bietet eine andere attraktive Eigenschaft. Sie optimiert das Strömungsverhalten, indem sie den Reibungswiderstand verringert. Dazu sind die mikroskopisch kleinen Schuppenzähnchen wie Spoiler in Richtung Schwanzflosse ausgerichtet. Schwimmathleten tragen bereits der Haifischhaut nachempfundene Anzüge. Auch im Flugzeugbau wird mit künstlicher Hai-Haut experimentiert, um den Treibstoffverbrauch zu verringern.

 

Keimtötende Oberfläche

 

Einen ganz anderen Aspekt der Haut hat sich die Firma Leoni, Anbieter von Kabeln und Kabelsystemen, zum Vorbild genommen. Ausgehend vom Prinzip des Säureschutzmantels der menschlichen Haut, hat das Unternehmen eine Technologie entwickelt, mit der es Kunststoffen eine keimtötende Oberfläche verleiht. Der Einsatz antimikrobieller Kabel und Leitungen soll in Krankenhäusern und Arztpraxen die Hygienestandards erhöhen und das Infektionsrisiko verringern. »Wir haben das Prinzip des menschlichen Säureschutzmantels nachgeahmt, denn Keime mögen diese saure Umgebung nicht«, sagt Peter Wechsler, Produktmanager bei Leoni.

 

Das Verfahren bewirke, dass auf der Kabeloberfläche Säure-Ionen freigesetzt werden, die an der Außenfläche des Mantels zu einer Absenkung des pH-Werts führen. Laut Wechsler schränkt dies die Zellfunktionen der Keime ein, sie können sich nicht mehr so gut vermehren und sterben schließlich ab.

 

Möglich werde dies, indem ein spezielles Metalloxid in den Kabelmantel eingebunden wird. Diese Methode biete mehr Hygiene, wohingegen die bislang angewandte Silber-Kupfer-Methode anfällig gegen Schweiß und Eiweiße sei, so Wechsler. »Ein weiterer Vorteil ist, dass diese neue Technologie die Erreger nicht von innen, sondern von außen über die Zellhülle zerstört«, so der Projektleiter. Dadurch sei die Gefahr von Resistenzen nicht gegeben.­ /

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