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Biotech-Fasern nach Maß

Wundauflagen aus Alginat sind schon lange in der Medizin im Einsatz. Trotzdem besteht noch immer ein Problem: Die Zusammensetzung der aus Algen gewonnenen Alginate variiert stark. Wissenschaftler am Hohenstein Institut für Textilinnovation in Bönnigheim wollen deshalb mit Bakterien Alginate von reproduzierbarer Qualität herstellen und daraus Textilfasern für Wundauflagen erzeugen.

Alginat wird aus Algen gewonnen, wie zum Beispiel dieser Braunalge der Gattung Macrocystis. © U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

Sie heißen Alginate, sind Salze der Alginsäure, zählen zu den Kohlenhydraten und werden im Regelfall aus Algen gewonnen. Damit enden die Gemeinsamkeiten der Alginate schon. Denn hinsichtlich ihrer molekularen Struktur können sich Alginat und Alginat erheblich unterscheiden. Mit den Unterschieden im molekularen Aufbau ändern sich die Eigenschaften. „Für die Verarbeitung von Alginaten zu hochwertigen Textilien ist diese Vielfalt ein Problem“, sagt Dr. Timo Hammer, Biologe und Forschungsleiter des Teams um Prof. Dr. Dirk Höfer beim Hohenstein Institut für Textilinnovation in Bönnigheim. „Sie macht eine reproduzierbare Qualität schwierig.“

Dieses Manko wollen Hammer und das Team beseitigen. Im Rahmen des Programms BioIndustrie 2021 initiierte das Hohenstein Institut für Textilinnovation gemeinsam mit der BIOPRO Baden-Württemberg das Projekt „AlBioTex – Biotechnologische Herstellung von Alginat als Ausgangsstoff für faserbasierte Werkstoffe und Produkte“. Ziel des Projekts ist, Alginat biotechnologisch herzustellen und daraus Fasern gleichbleibender Qualität zu erzeugen. Ein Industriepartner soll anschließend die Fasern auf Textilmaschinen zu hochwertigen Wundauflagen verarbeiten.

Alginatqualität schwankt

Alginate besitzen viele Eigenschaften, die für Wundauflagen wünschenswert sind. Sie können bis zum 20fachen ihres Eigengewichts an Flüssigkeit binden. Wundauflagen aus Alginat nehmen somit große Mengen an Wundsekret auf. Dabei quillt das Alginat auf und bildet eine Matrix, die Bakterien und zerstörte Zellen einschließt und fixiert. Weitere wertvolle Eigenschaften sind, dass Alginate nicht mit Wunden verkleben, gewebeverträglich sind und kaum Allergien hervorrufen.

Alginate sind aus zwei Komponenten aufgebaut: α-L-Guluronsäure (GulUA) und ß-D-Mannuronsäure (ManUA). Je nachdem, welche Komponente in welchem Umfang in das Polymer integriert ist, überwiegen bestimmte Eigenschaften. „Die Guluronsäure zum Beispiel stabilisiert das Molekül. Für Textilanwendungen braucht man deshalb Alginate mit hohem Guluronsäureanteil. Doch solche Alginate sind teuer“, erklärt Hammer.

Welche Anteile die beiden Komponenten in einem Alginat haben, hängt ab von der Algenart, aus der ein Alginat gewonnen wird, und von den Umweltfaktoren, die einen Algenstandort kennzeichnen. Deshalb schwankt die Qualität natürlicher Alginate stark. Für die Herstellung von Wundauflagen kommen aber nur diejenigen Alginate infrage, die den hohen Anforderungen der Textiltechnik und der Medizin genügen. Ein technisches Verfahren, das ein hochwertiges, homogenes Alginat mit einem hohen, definierten Guluronsäureanteil liefert, wäre also ein enormer Fortschritt.

Natürliches Alginat birgt ökologische Probleme

Aus einem biotechnologisch erzeugten Alginat will das Hohenstein Institut Wundauflagen herstellen. Die ersten Vliese sind bereits im Test. © BIOPRO

Die schwankende Qualität des natürlichen Alginats ist nicht die einzige Herausforderung für Alginatverarbeiter. Hammer verweist auf weitere Probleme: „Bei der maschinellen Ernte der Algen wird der Meeresboden stark in Mitleidenschaft gezogen. Ökologisch betrachtet ist das kritisch. Des Weiteren ist auch die Aufarbeitung des Alginats umweltbelastend und natürliches Alginat kann Schwermetalle enthalten.“

Es gibt also gute Gründe, um neue Wege in der Alginatproduktion zu beschreiten. „Es ist schon lange bekannt, dass auch manche Bakterien, zum Beispiel die Gattung Azotobacter, Alginat herstellen. Uns kam die Idee, diese Mikroorganismen für die biotechnologische Alginatproduktion zu testen und über die Fermentationsbedingungen die Struktur des Alginats zu beeinflussen“, erklärt Hammer. Ein exakt definierter biotechnologischer Prozess könnte zu einem reproduzierbaren Alginat führen, so der Gedanke. Damit wäre eine wichtige Voraussetzung erfüllt, um aus biotechnologisch erzeugtem Alginat hochwertige Wundauflagen herzustellen.

Der Wertschöpfungskette entlang: vom Alginat zur Wundauflage

Seit Projektstart im Oktober 2012 haben die Wissenschaftler um Timo Hammer schon viel erreicht. Aus Azotobacterkulturen gewinnen sie im Labormaßstab bereits ausreichende Mengen an Alginat. Mittels Gefriertrocknung wird das Polymer in ein hochreines Alginatpulver überführt. Aus dem Pulver stellen die Textilspezialisten des Hohenstein Instituts für Textilinnovation Fasern her, die bei Kelheim Fibres zu Vliesen verarbeitet werden.
Zwar gelingt bereits die maschinelle Verarbeitung, dennoch müssen die Fasern noch stabiler werden. Daher arbeiten die Forscher weiter daran, das ideale Verhältnis der beiden Alginatbausteine zu ermitteln und über den Prozess einzustellen. Des Weiteren gilt es zu prüfen, ob und wie weitere Substanzen beigemischt werden können, um den Wundauflagen zusätzliche Eigenschaften zu verleihen.

Viel Forschungsarbeit muss auch noch hinsichtlich medizinischer Aspekte geleistet werden. „Wir testen zum Beispiel im Labor, wie sich das Vlies im Kontakt mit Wundsekret verhält, wie viel Flüssigkeit eine Wundauflage aus diesem Material aufnehmen kann, ob sich dabei unangenehme Gerüche entwickeln, ob es ein allergenes Potenzial besitzt und ob es genauso gut gewebeverträglich ist wie herkömmliche Alginat-Wundauflagen“, erläutert Hammer weitere Schwerpunkte des Projekts. Sein Zwischenfazit zur neuen Biotech-Faser fällt positiv aus: „Die Demonstrationsvliese sind nach unserer Einschätzung besser als die Alginat-Textilien, die momentan für Wundauflagen genutzt werden.“

Zum Abschluss des Projekts im Jahr 2015 sollen ein wirtschaftlicher Herstellungsprozess stehen und eine funktionelle Wundauflage als Prototyp vorliegen. Die Reihe der Gemeinsamkeiten zwischen den Alginaten werden die Wissenschaftler aus Bönnigheim dann zwar nicht erweitert haben. Aber sie werden ein neues Alginat von konstanter Qualität entwickelt haben, das Textilien mit neuen Eigenschaften ermöglichen kann.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
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