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Lebendes Biomaterial betreibt Photosynthese

Algentextil
Dieses Mini-T-Shirt besteht aus einem lebenden, photosynthetisch aktiven Biomaterial. (Bild: University of Rochester)

Immer häufiger werden umweltfreundliche Materialien aus Naturstoffen hergestellt, die etwa Plastik oder seltene Rohstoffe ersetzen. Noch einen Schritt weiter geht ein von US-Forschern entwickeltes lebendiges Biomaterial: In das Gewebe aus Bakterienzellulose sind lebende Mikroalgen integriert. Dadurch kann dieses Material aktiv Photosynthese betreiben und könnte zur Energiegewinnung, als Biotextil oder für Hauttransplantationen in der Medizin genutzt werden.

Ob Textilien aus pflanzlicher Zellulose, Böden aus Holzresten oder Dämmstoffe aus Pflanzenfasern – Forscher entwickeln immer mehr umweltfreundliche Materialien, die aus nachwachsenden Rohstoffen statt aus Kunststoffen oder nicht nachhaltigen Ressourcen bestehen. Noch einen Schritt weiter gehen dabei Produkte mit integriertem lebenden Material, beispielsweise in Form von Bakterien oder aber Photosynthese treibenden Algen.

Von Bakterien und Algen zum Material

Bisher allerdings hatten die meisten dieser „lebenden Materialien“ das Problem, dass sie wenig stabil sowie schwer herzustellen und in Form zu bringen waren. Wissenschaftler um Srikkanth Balasubramanian von der Technischen Universität Delft in den Niederlande haben daher nun nach einer einfacheren und robusteren Alternative gesucht. Als biobasiertes Stützgerüst ihres Materials wählten sie bakterielle Zellulose. Denn nicht nur in den Zellwänden von Pflanzen sind stabile Fasern enthalten, bestimmten Bakterien können sie auch außerhalb ihrer Zellen bilden und ausscheiden. Die dabei entstehende sehr feine Netzwerkstruktur ist im Vergleich zur pflanzlichen Zellulose besonders rein und zudem sehr flexibel sowie mechanisch stabil, wie die Forscher erklären. Dadurch behält sie ihre Form bei, selbst wenn sie verdreht, zerdrückt oder anderweitig physisch verformt wird.

Die Matrix aus Zellulose dient als Untergrund für die lebende Komponente des neuen Biomaterials. Dieses besteht aus Mikroalgen, die mithilfe eines 3D-Druckers auf die Zellulose aufgetragen wird. Dadurch entsteht ein robustes, textilähnliches Material, das aber dank der Algen aktiv Photosynthese betreiben kann. Wie Tests ergaben, erwies sich das lebende Zellulose-Algen-Gewebe als robust und lange überlebensfähig. Durch die Bakterienzellulose erhält es eine ausreichende mechanische Festigkeit, durch die Algen kann es Photosynthese betreiben und sich so über einen längeren Zeitraum selbst „ernähren“. Bioprinted-Materialien können dadurch mindestens drei Tage lang ohne Nährstoffe stabil überleben und ihre Lebensdauer kann weiter verlängert werden, wenn sie innerhalb dieses Zeitraums eine frische Nährstoffquelle haben, erklären die Wissenschaftler. Ein weiterer Vorteil: „Diese Bioprints sind regenerativ, das heißt, sie können wiederverwendet und erweitert werden, um weitere lebende Materialien zu drucken“, berichten Balasubramanian und seine Kollegen.

Als Energielieferant, Medizinprodukt und Biotextil

„Wir liefern das erste Beispiel für ein konstruiertes photosynthetisches Material, das physikalisch robust genug ist, um in realen Anwendungen eingesetzt zu werden“, so Balasubramanian. Ein großes Potenzial könnte das Algen-Material beispielsweise zur nachhaltigen Energiegewinnung haben: Als „künstliche Blätter“ könnte es mithilfe des Sonnenlichts Wasser und Kohlendioxid in Sauerstoff und Energie umwandeln – wie Blätter bei der Photosynthese. Die Blätter speichern die Energie als Zucker, der dann in Kraftstoffe umgewandelt werden kann. Das Material bietet damit eine Möglichkeit, Kohlendioxid aus der Luft zu verwerten und umweltfreundlich Energie an Orten zu produzieren, an denen Pflanzen nicht gut wachsen, erklären die Forscher. „Bei den künstlichen Blättern sind unsere Materialien so, als würden wir die ‚besten Teile‘ der Pflanzen nehmen – die Blätter – die nachhaltige Energie erzeugen können, ohne Ressourcen für die Produktion von Pflanzenteilen zu verwenden – die Stängel und die Wurzeln, die Ressourcen benötigen, aber keine Energie erzeugen“, sagt Anne Meyer von der University of Rochester in New York.

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Und nicht nur als Energielieferant könnte das neuartige Material genutzt werden: Es ließe sich auch als photosynthetische Häute für Hauttransplantationen verwenden, vermutet Meyer. „Der erzeugte Sauerstoff würde helfen, die Heilung der beschädigten Stelle in Gang zu bringen, oder es könnte eine lichtaktivierte Wundheilung ermöglichen“ so die Forscherin. Zusätzlich könnte das Material auch als Biotextil in der Modeindustrie Anwendung finden. Die Biokleidung aus Algen könnte nicht nur nachhaltig produziert und vollständig biologisch abgebaut werden. Sie würde auch zur Luftreinigung beitragen, wenn sie das Kohlendioxid durch ihre Photosynthese verwerten, so die Wissenschaftler. Zudem müssten diese Textilien laut der Forscher nicht so oft gewaschen werden wie herkömmliche Kleidungsstücke, was den Wasserverbrauch reduzieren könnte.

Quelle: University of Rochester, Fachartikel: Advanced Functional Materials, doi: 10.1002/adfm.202011162