Silica-Seidenfibroin Aerogele

In dem Projekt Silica-Seiden Fibroin Aerogele soll eine neue Klasse von sehr leichten Materialien mit einer einzigartigen Kombination von Eigenschaften, wie z.B. hohe mechanische Festigkeit, Meso- und Makroporosität, sowie Biokompatibilität entwickelt werden. Die Schlüsselidee ist es, die mechanischen Eigenschaften von Silica Aerogelen durch die Bildung eines kovalent verknüpften, homogenen Hybridnetzwerks mit dem Biopolymer Seide (aus der Seidenspinnerraupe, Bombyx Mori) zu verbessern, wobei der Seidenanteil mit seinen exzellenten mechanischen Eigenschaften als organisches Stützmaterial für das funktionalisierte anorganische Netzwerk dient. Gleichzeitig soll dem Seidenbiopolymer, das durch seine Funktionalisierbarkeit, Bioabbaubarkeit und Biokompatibilität bereits eine sehr gute Eigenschaftskombination für Biomaterialien aufweist, in diesem Hybridmaterial zusätzlich bioaktiver Charakter verliehen werden. Dazu sind zunächst grundlegende Untersuchungen zur Funktionalisierung und Optimierung der porösen Struktur des anorganischen Netzwerks nötig, um in einem zweiten Schritt die Herstellung des Silica/Seide Komposits im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse aus diesem Projekt werden ein erster Schritt in die Entwicklung einer neuartigen, multifunktionalen Kompositstruktur für Anwendungen als Knochenersatzmaterial sein.

Silica und Polymethylsilsesquioxan (PMSQ) Aerogele sind hochporöse Materialien, die aufgrund ihrer außerordentlichen und faszinierenden Materialeigenschaften eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedensten industriellen und Life Science Bereichen erwarten lassen. Um den Anwendungsbereich noch zu vergrößern sind allerdings Verbesserungen der Materialeigenschaften insbesondere in Hinblick auf mechanische Performance (Sprödigkeit), Oberflächenchemie und postsynthetische Verarbeitbarkeit mit möglichst wenig Veränderungen der bereits vorhandenen positiven physikalischen Eigenschaften notwendig. Dr. Maleki hat in ihrem Lise-Meitner Projekt nun einen völlig neuen, einfachen und wasserbasierten Syntheseansatz zu mechanisch robusten Aerogelhybriden basierend auf einer Co-Gelierung von Seidenraupenfaserproteinen (SF), gewonnen aus Kokons der Seidenspinnerraupe, mit verschiedenen Organosilanen entwickelt. Die Synthese der Hybridaerogele basiert auf einem einstufigen Prozess, in dem säurekatalysiert eine physikalische Vernetzung der SF Biopolymere induziert wird und simultan Polykondensationsreaktionen der tetra- und trifunktionallen Silane (z.T. in Gegenwart einesentsprechendenSilankopplungsreagenz)stattfinden.Nach Lösemitteltausch werden die erhaltenen nassen Gele dann überkritisch mit CO2 getrocknet. Die so erhaltenen hochporösen Gele wurden intensiv mit verschiedensten Methoden charakterisiert, wie z.B. Festkörper NMR Spektroskopie, elektronenmikroskopischen Untersuchungen (SEM, TEM) und mechanischen Tests. So konnte die Homogenität der hybriden Nanostruktur bis hin zum molekularen Level nachgewiesen werden. Die so hergestellten PMSQ- und Silica-SF Hybridaerogele zeigen ein deutlich verbessertes Eigenschaftsprofil: Niedrige Dichten (b, average = 0.08 - 0.2 g cm-3), hohe Porositäten (~90- 99%), hohe spezifische Oberflächen (~ 400-1000 m2 g-1) kombiniert mit einer exzellenten Flexibilität auf Druckbelastung (bis zu 80%) und einem bis zu drei Größenordnungen verbesserten Elastizitätsmodul (Youngschen Modul) im Vergleich zu reinen SiO2 oder PMSQ Aerogelen. Zusätzlich zeigen einige der Gele feuerdämmende Eigenschaften und exzellente thermische Isolationseigenschaften mit Wärmeleitfähigkeiten ( ) von 0.028-0.039 Wm-1 K-1. Aufgrund ihres superhydrophoben und superoleophilen Charakters besitzen die hybriden PMSQ-SF Aerogelen hohes Potential für die Trennung von Öl-Wassergemischen. Zudem konnte Dr. Maleki zeigen, dass sich die hybriden Gele im nassen Zustand (d.h. postsynthetisch) mittels 3D Druck Techniken basierend auf Mikroextrusion erfolgreich in verschiedenste Formen drucken lassen. Dem Ziel ein ideales Gerüst für die Knochengewebezüchtung auf der Basis dieser mit verbesserten Eigenschaften ausgestatteten Silica-SF Hybridaerogele zu entwickeln, ist Dr. Maleki schließlich durch die Kombination des Sol-Gel Prozesses zur Herstellung der Gele mit unidirektionalem Freeze Casting näher gekommen. Die so hergestellten Aerogelgerüste zeigten eine anisotrope Mikrostruktur mit hierarchischer Porosität über mehrere Längenskalen bis zu 20 Mikrometer ohne im Bereich der mechanischen Stabilität Kompromisse einzugehen. Erste biologische Tests haben vielversprechende Ergebnisse bzgl. der Biokompatibilität gezeigt, und somit mögliche Anwendungen im Bereich der regenerativen Medizin eröffnet.