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Biobased & Bioinspired Materials
Dr. Oliver Strube
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Unsere Projekte

Der gemeinsame Fokus unserer Forschungsprojekte ist die Verknüpfung von biologischen Motiven mit materialtechnischen Anwendungen. Die Arbeiten gehen dabei stets über den Aspekt der reinen Nachhaltigkeit hinaus und betrachten vornehmlich bioinspirierte Funktionalität, speziell drei Aspekte:

  • Inhärente Funktionalität der Moleküle
  • Biomimetische Strukturen
  • Enzymatische Katalyse

Ein Schwerpunkt der Forschungen ist die von uns entwickelte Methode der Enzymmoderierten Adressierung. Diese Technologie ermöglicht gezielte Partikelanordnungen, sowohl biologisch als auch synthetisch, durch den gezielten Einsatz enzymatischer Reaktionen.

Interessierte Studierende der Chemie oder Materialwissenschaften sind herzlich willkommen im Rahmen von Abschlussarbeiten oder als SHK an unseren Projekten mitzuwirken.

Wir erforschen eine vollkommen neue Art des Materialdesigns auf Oberflächen – die Enzymmoderierte Adressierung. Diese innovative Technologieplatform ermöglicht eine hochpräzise und gleichzeitig flexible Anordnung von Partikeln auf Oberflächen – gesteuert durch enzymatische Katalyse. Die Partikel werden hierbei exklusiv an die enzymaktiven Stellen der Oberfläche adressiert.

Unsere Technologie ermöglicht hohe Präzision bei einfacher Durchführung und nahezu universeller Materialkompatibilität. Dies eröffnet zahllose Anwendungshorizonte, insbesondere in der Medizintechnik und der Nanotechnologie.

Biomaterialien aus Fibrin sind aufgrund ihrer hervorragende Biokompatibilität in Verbindung mit interessanten mechanischen Eigenschaften und Netzwerkbildung begehrt in der Medizintechnik. Zur Herstellung von Fibrin ist jedoch der Einsatz des Enzyms Thrombin notwendig, wodurch gewichtige Nachteile entstehen.

Mit einer von uns entwickelten Methode gelingt es, Hydrogele und Aerogele aus dem Precursor Fibrinogen herzustellen. Dieses Pseudo-Fibrin bietet eine enzymfreie, einfache und kostengünstige Synthese kombiniert mit Eigenschaften von echtem Fibrin.

Das natürliche Pigment Eumelanin besitzt herausragende, für Biopolymere einzigartige, Eigenschaften wie Paramagnetismus, Breitband-UV-Absorption oder Halbleiter-Charakter. Eine komplexe und wenig verstandene supramolekulare Struktur mit (zu) großen Endpartikeln erschwert jedoch die Anwendung.

Umfangreiche Kontrolle über die spezifischen Zwischenstufen ist das Ziel unserer Arbeiten, für die zahlreiche Methoden und Kompetenzen gebündelt werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse über den Aufbau des Eumelanins ermöglichen innovative Ansätze für biomimetische Materialien.

Thermoplastische Faserverbundkunststoffe überzeugen durch eine unerreichte Wirtschaftlichkeit. Bedingt durch einen bisher notwendigen, separaten Kombinationsprozess von Thermoplast und Faser, entstehen jedoch gewichtige Nachteile, welche ihren Einsatz stark limitieren.

Um diese Schwächen zu adressieren, wurde in Kooperation mit dem Institut für Textiltechnik in Aachen eine innovative Hybridfaser zur Erzeugung von Verbünden mit zuvor unerreichten Eigenschaften erforscht. Die Faser ist inspiriert vom Prinzip fibrilärer Kompositmaterialien in der Natur und folgt somit dem Konzept der Bionik.

Phosphor ist angesichts seiner zentralen Rolle für das Leben unverzichtbar und kann durch keinen anderen Stoff ersetzt werden. Phosphor ist jedoch eine endliche Ressource, die vorwiegend aus Phosphat-Erzen gedeckt wird, welche in wenigen Jahrzehnten aufgebraucht sein werden.

Unser Forschungsprojekt begegnet dieser Herausforderung mit einem bioinspirierten Ansatz, abstrahiert vom Phosphormanagement des Körpers. Hiermit können Phosphorverbindungen bei der Abwasseraufbereitung gezielt isoliert, als hochreine Phosphorsalze zurückgewonnen und unmittelbar erneut eingesetzt werden.

Auch in klassischen Lacksystemen spielt der Einsatz biobasierter Rohstoffe eine immer größere Rolle. Von besonderem Interesse sind dabei Systeme, die nicht nur den Nachhaltigkeitsaspekt bedienen, sondern zudem die Eigenschaften des Lackes signifikant verbessern.

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines biobasierten Beschichtungsadditivs, welches die Beständigkeit gegen Kratzer und andere äußere Krafteinwirkungen erhöht. Dieses Additiv basiert auf speziellen, selbsthergestellten Bionanokompositen, die durch Anbindung an ein Bindemittelsystem ein besonderes Eigenschaftsfeld generieren.

Die Abstraktion der enzymmoderierten Adressierung auf nanoskalige Partikel als Oberfläche ist mit besonderen Herausforderungen verbunden. Werden diese überwunden, lassen sich jedoch sehr gezielt, hochkomplexe Nanostrukturen erzeugen.

Für diverse Anwendungshorizonte erforschen wir so die Herstellung von Kern-Schale- und Hohlstrukturen bis hin zu inversen Opalen. Die resultierenden mechanischen und optischen Eigenschaften der Materialien können dabei beliebig durch den Einsatz unterschiedlicher Bausteine variiert werden. 

Silikonwerkzeuge für Vakuumgießprozesse sind eine beliebte Methode zur zeit- und kosteneffizienten Herstellung von Prototypen. Durch hohe Flexibilität und Abformgenauigkeit lässt sich ein beliebiges Urmodell so vielfach reproduzieren.

Die Anwendung dieser Technik auf Kleinserien ist eine hochinteressante Erweiterung. Dies wird jedoch durch die geringe Lebensdauer der Werkzeuge verhindert. Im Projekt Silimold entwickeln wir Silikonwerkzeuge mit deutlich gesteigerter Langlebigkeit.

 

Biobasierte und biokompatible Klebstoffe gewinnen in der Biosensorik sowie der modernen Medizin, besonders in der Implantologie, zunehmend an Bedeutung. Basierend auf dem Prinzip der enzymmoderierten Adressierung ist eine in situ Erzeugung biologischer Klebeschichten möglich.

Hierbei werden zwei enzymfunktionalisierte Substrate in eine Dispersion getaucht und ohne weiteren Krafteinfluss durch abgesciedenens Material miteinander verklebt. Die enzymatische Reaktion stellt die alleinige Triebkraft bei dieser speziellen Art der Klebung dar.

Pigmente stellen als farbgebende Komponente einen wichtigen Bestandteil jeder Druckfarbe sowohl mengen- als insbesondere auch wertmäßig dar. Im Gegensatz zu den übrigen Komponenten sind keinerlei biogene Pigmente im Bereich der Druckfarben verfügbar oder bekannt.

Im Projekt „Crusty Pigments“ entwickeln wir daher erstmals vollständig biogene und gleichzeitig bioabbaubare Pigmente für den Einsatz in Druckfarben. Diese basieren auf einer innovativen Kombination von Chitin und diversen biologischen Farbstoffen und eröffnen so neue Anwendungsfelder.

Biologische Beschichtungen sind heutzutage für zahlreiche Anmeldungen, besonders im Bereich der Medizintechnik oder als bioabbaubare Schichten, von herausragender Bedeutung. Ihre Herstellung ist jedoch bisher entweder nur mit geringer Kontrolle über die Filmbildung oder unter hohem Aufwand möglich.

Mittels des in innovativen Prozesses der enzymmoderierten Autophorese gelingt die ortsspezifische, kontrollierter Adressierung der filmbildenden, biologische Partikel zur definierten und einfachen Herstellung nanoskaliger Beschichtungen.
 

Gruppenleitung

Dr. Oliver Strube

Technische Chemie - Arbeitskreis Strube

Gruppenleiter

Oliver Strube
Telefon:
+49 5251 60-2133
Büro:
Y2.333

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