Inspiriert von der Wasserspinne (Argyroneta aquaticaspider) haben Forscher eine superhydrophobe Oberfläche mit einem stabilen Chassis entwickelt, das unter Wasser monatelang halten kann. Solche Oberflächen können in biomedizinischen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise zur Reduzierung chirurgischer Infektionen, und in industriellen Bereichen, beispielsweise zur Verhinderung von Rohrkorrosion.
Eine Spinnenart lebt ihr ganzes Leben unter Wasser, obwohl ihre Lunge nur Luftsauerstoff atmen kann. Wie wird es gemacht? Die Spinne, Argyroneta aquatica genannt, hat Millionen rauer, hydrophober Haare auf ihrem Körper. Diese Haare schließen die Luft um ihren Körper herum ein, bilden ein Sauerstoffreservoir und wirken als Barriere zwischen der Lunge der Spinne und dem Wasser.
Materialwissenschaftler versuchen seit Jahrzehnten, diese dünne schützende Luftschicht auszunutzen. Dadurch entstehen superhydrophobe Unterwasseroberflächen, die Korrosion, Bakterienwachstum, Anhaftung von Meereslebewesen, chemische Verschmutzung und andere schädliche Auswirkungen von Flüssigkeiten auf Oberflächen verhindern. Es stellt sich jedoch heraus, dass Plastrons unter Wasser äußerst instabil sind und im Labor nur wenige Stunden an der Oberfläche trocken bleiben können.
Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland und der Aalto-Universität in Finnland eine superhydrophobe Oberfläche mit einer stabilen Plasmamembran entwickelt, die monatelang im Wasser bleiben kann. Die Gesamtstrategie des Teams besteht darin, langlebige superhydrophobe Unterwasseroberflächen zu schaffen, die Blut abweisen und die Anhaftung von Bakterien und Meeresorganismen wie Seepocken und Muscheln erheblich reduzieren oder verhindern, was eine Reihe von Anwendungen in der Biomedizin und Industrie eröffnet.
„Bioinspirierte Materialforschung ist ein äußerst spannendes Feld, das weiterhin elegante, in der Natur entwickelte Lösungen in den Bereich künstlicher Materialien einbringt und es uns ermöglicht, neue Materialien mit noch nie dagewesenen Eigenschaften einzuführen“, sagte Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson-Professorin für Materialwissenschaften und Professorin für Chemie und chemische Biologie am SEAS, eine Mitautorin des Artikels. „Diese Studie zeigt, dass die Entdeckung dieser Prinzipien zur Entwicklung von Oberflächen führen kann, die im Wasser superhydrophob bleiben.“
Aizenberg ist außerdem außerordentliches Fakultätsmitglied am Wyss Institute. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Dass ein stabiles Unterwasserfahrwerk theoretisch möglich ist, wissen Forscher seit 20 Jahren, konnten es aber bisher nicht experimentell beweisen.
Eines der größten Probleme bei Plastrons besteht darin, dass sie eine raue Oberfläche benötigen, um sich zu bilden, wie die Haare von Argyroneta aquatica. Diese Rauheit macht die Oberfläche jedoch mechanisch instabil und anfällig für kleinste Temperatur- und Druckschwankungen oder kleine Unvollkommenheiten.
Die aerophile Oberfläche besteht aus einer häufig verwendeten und kostengünstigen Titanlegierung, verfügt über eine haltbare Plasmamembran und bleibt auch nach hunderten Einweichvorgängen in Blutkulturschalen trocken. Bildquelle: Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Innovative Technologien und Entdeckungen
Aktuelle Techniken zur Bewertung künstlich hergestellter superhydrophober Oberflächen berücksichtigen nur zwei Parameter, die keine ausreichenden Informationen über die Stabilität von Luftpartikeln unter Wasser liefern. Aizenberg, Jaakko V.I. Timonen und Robin H.A. Ras von der Aalto University sowie Alexander B. Tesler und Wolfgang H. Goldmann von der University of Florida ermittelten mit ihren Teams weitere Parameter, darunter Oberflächenrauheit, Hydrophobie von Oberflächenmolekülen, Oberflächenbedeckung, Kontaktwinkel und andere Informationen.
Mit diesem neuen Ansatz und einer einfachen Herstellungstechnik konstruierte das Team eine sogenannte aerophile Oberfläche unter Verwendung einer häufig verwendeten, kostengünstigen Titanlegierung, die über eine langlebige Plasmamembran verfügt, die die Oberfläche über Tausende von Stunden besser trocken hält als frühere Experimente und sogar die Plasmamembranen biologischer Spezies überdauert.
„Wir haben eine vor 20 Jahren von Theoretikern entwickelte Charakterisierungsmethode verwendet, um zu zeigen, dass unsere Oberfläche stabil ist. Das bedeutet, dass wir nicht nur eine neue Art extrem abweisender, extrem haltbarer superhydrophober Oberfläche geschaffen haben, sondern auch eine Möglichkeit haben, dies mit anderen Materialien erneut zu tun“, sagte Tesler, der als Postdoktorand am SEAS und am Wyss Institute arbeitete und Erstautor der Arbeit ist.
Um die Stabilität der Wolke zu beweisen, führten die Forscher verschiedene Tests an ihrer Oberfläche durch: Sie biegen, verdrehen, besprühen sie mit heißem und kaltem Wasser und polieren sie mit Sand und Stahl, um zu verhindern, dass ihre Oberfläche aerophil bleibt. Es wurde 208 Tage lang in Wasser und hunderte Male in Blut-Petrischalen eingeweicht. Es reduziert das Wachstum von E. coli und Seepocken auf seiner Oberfläche erheblich und verhindert vollständig das Anhaften von Muscheln.
„Die Stabilität, Einfachheit und Skalierbarkeit dieses Systems machen es für praktische Anwendungen sehr wertvoll“, sagte Stefan Kolle, Co-Autor des Artikels und Doktorand am SEAS. „Mit der hier gezeigten Charakterisierungsmethode demonstrieren wir ein einfaches Toolkit zur Optimierung superhydrophober Oberflächen auf Stabilität, was den Anwendungsbereich dramatisch verändert.“
Goldman, der leitende Autor des Papiers und ehemaliger Forscher der Harvard University, sagte, dass dieser Anwendungsbereich biomedizinische Anwendungen zur Reduzierung postoperativer Infektionen oder als biologisch abbaubare Implantate wie Stents umfasst. Es kann auch unter Wasser eingesetzt werden, um Rohre und Sensoren vor Korrosion zu schützen. In Zukunft könnte es sogar mit ultrarutschigen Beschichtungen namens SLIPS (liquid-infused porous surface) kombiniert werden, die Eisenberg und ihr Team vor mehr als einem Jahrzehnt entwickelt haben, um Oberflächen noch besser vor Verunreinigungen zu schützen.