Bionik gegen Bakterien: Wie die Technik von der Natur lernt

Die Evolution hat Lebewesen mit außergewöhnlichen Fähigkeiten ausgestattet, die ihr Überleben sichern. Einige davon will sich die Wissenschaft zu nutzen machen. Mit sogenannter Biomimikry versuchen Forschende diese Fähigkeiten der Natur zu imitieren, um praktische Lösungen für unseren Alltag zu entwickeln.

Einer von ihnen ist Albert Yee von der University of California. Er forscht an natürlich vorkommenden antibakteriellen Oberflächen. Als er von einem Augenarzt auf den Bedarf an künstlichen Hornhäuten aufmerksamen gemacht wurde, begann er, seine Forschung in diesen Bereich zu lenken.

Die Gesundheit unserer Augen ist durch viele verschiedene Augenkrankheiten gefährdet. Sie können durch Bakterien und Pilze übertragen werden und unser Sehvermögen schädigen.

Die Flügel einer Zikade dagegen sind dank ihrer Struktur antibakteriell und hemmen die Bildung von Pilzen. Eine Pilzinfektion am Auge sei nur schwer zu behandeln und Anti-Pilz-Medikamente würde keine bakterielle Infektion verhindern, erklärt Yee. Aus diesem Grund entwickeln er und sein Team eine Kontaktlinse, die die Eigenschaften des Zikaden-Flügels besitzt.

Der Grund für die antibakteriellen Eigenschaften der Flügel findet sich in ihrer Struktur. Auf ihnen befinden sich nur nanometerhohe Säulen. Wenn beispielsweise Bakterien auf ihnen landen, werden deren Zellwände durch mechanische Spannung beschädigt und die Bakterien so systematisch abgetötet.

Albert Yee und seinem Forschungsteam ist es gelungen, diese unglaubliche Struktur für den medizinischen Einsatz nachzubilden. Das Material passt sich perfekt an das Auge an, ohne es zu reizen - und ist in der Lage Bakterien abzutöten.

Dafür wird zunächst ein Stück aus dem transparenten Zikaden-Flügel herausgeschnitten. Dieses wird als Stempel verwendet und unter hohen Temperaturen auf Kunststoff gepresst.

Als künstliche Ersatz-Hornhaut in Augen oder auch als Material bei Dauerkathetern wird dieses Material schon verwendet, erklärt Sara Heedy, Materialforscherin an der UC Irvine. Katheterinfektionen seien eine der häufigsten Ursachen für Krankenhausinfektionen und erzeugten jährlich Kosten mehreren Millionen Dollar in den USA.

Die Erforschung und Entwicklung antibakterieller Materialien sind daher wesentliche Bausteine im Kampf gegen potenziell tödliche Infektionen.

Ein weiterer Forschungszweig beschäftigt sich mit der Haut von Haien. Diese besteht aus tausenden rückwärts gekrümmten Zähnchen, den Dentikeln.

Wenn Wasser in die kleinen Stachel an der Oberfläche der Dentikel eindringt, entstehen viele winzige Strudel. Auf diese Weise wird das Wasser nah am Tierkörper gehalten.

Dieser sogenannte "Riblet-Effekt" verringert die Reibung und den Luftwiderstand erheblich. Er bildet um den Haikörper herum eine extrem dünne Wasserschicht. So kann sich an der Hautoberfläche kein Organismus festsetzen. Algen, Muscheln und vor allem Bakterien werden so abgehalten. Durch dieses Prinzip bleibt die Haut des Hais sauber und kann keine Krankheiten übertragen.

Forschende haben sich von der Haifischhaut inspirieren lassen, um zum Beispiel antibakterielle Oberflächen für Wandverkleidungen in Krankenhäusern zu entwickeln. Diese Oberflächen würden die Ausbreitung von Bakterien um 94 Prozent reduzieren. In Kliniken könnten sie auch beim Kampf gegen Krankenhausinfektionen eingesetzt werden, die jedes Jahr Millionen von Menschen auf der ganzen Welt betreffen.

"Außerdem sind diese Oberflächen, die wir herstellen, sehr kostengünstig", erklärt Albert Yee. "Ich denke also, dass sie nicht nur in hochindustrialisierten Ländern wie den Vereinigten Staaten und Westeuropa, sondern auch im Rest der Welt eingesetzt werden können."