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Empa–Biomaterials: Maßgeschneiderte Materialien im Visier

Seit Ende Juli 2008 ist das Labor "Biomaterialien" der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in St. Gallen offizielles Mitglied der Bioregion BioLAGO. Drei Forscherteams befassen sich in der Abteilung "Biomaterials" mit der Entwicklung von Biomolekülen und Biomaterialien für medizinische und industriell interessante Anwendungen. Wir fragten den stellvertretenden Abteilungsleiter des Labors, Dr. Manfred Zinn, wie sich die Suche nach gewünschten Materialeigenschaften gestaltet.

Herr Dr. Zinn, welche Biomaterialien und Biomoleküle erforscht ihre Abteilung?

Dr. Manfred Zinn leitet das Forschungsteam "Bioprozesse" der Empa. (Foto: BioLAGO)
Wir befassen uns mit der Entwicklung und maßgeschneiderten Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten (PHAs), einem Biopolyester mikrobiellen Ursprungs, und verarbeiten auch andere Stoffe und Materialien, wie zum Beispiel Stärke und Polylaktid. Im neuen Team Biomoleküle, welches seit Herbst 2007 aufgebaut wurde und von der Abteilungsleiterin PD Dr. Linda Thöny-Meyer koordiniert wird, sind wir mit der Herstellung und Modifikation von Enzymen (Laccase, Tyrosinase, Microperoxidase) beschäftigt sowie mit chiralen Bausteinen ([R]-3-Hydroxyalkanoaten). Darüber hinaus ist die Proteinexpression Bestandteil unserer Arbeit.
Zur Person:
Dr. Manfred Zinn studierte an der Eidgenössischen Hochschule (ETH) Zürich und promovierte 1998 zum Thema „PHA-Biosynthese“, bevor er drei Jahre am Center for Environmental Biotechnology in Knoxville und in den Biofilmlabors von Prof. Ralph Mitchell an der Harvard University verbrachte. Der Wissenschaftler ist in der Lehre der ETH Zürich und an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Wädenswil beteiligt und leitet seit 2002 das achtköpfige Forschungsteam „Bioprozesse“ der Abteilung „Biomaterials“.

Wie können diese Stoffe in der Medizin eingesetzt werden?

Mit den besagten Materialien arbeiten wir an Thermoplasten, das heißt Kunststoffen, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich einfach verformen lassen, für die Gewebezüchtung mit Knochenzellen oder Nervenzellen. Das Studium von Biopolyestern dient verschiedenen Zwecken. Neben den physiko-chemischen Materialeigenschaften wird die Langzeitstabilität und Bioabbaubarkeit ein immer wichtigeres Merkmal. Gerade diese Eigenschaften sind für medizinische Anwendungen, zum Beispiel bei Implantaten, von großer Wichtigkeit und stellen eine Herausforderung dar, damit nicht Abbauprodukte der Biomaterialien neue, gesundheitlich relevante Probleme verursachen. Diese Forschung ist international bereits heute recht weit gediehen und ein erster, mikrobiell hergestellter Biopolyester, (Poly-4-Hydroxyalkanoat), wurde kürzlich als biologisch abbaubarer Wundfaden zugelassen. Weitere Forschungsprojekte wie künstliche Herzklappen, Sehnen und Füllstoffe bei kritischen Knochenbrüchen sowie bioabbaubare Schrauben stellen große Herausforderungen an die Materialien dar. Erste Resultate lassen jedoch hoffen, dass generell die unterstützte Selbstheilung durch diese abbaubaren Implantate verbessert und nebenbei kostspielige Nachoperationen reduziert werden.

Biologische Abbaubarkeit ist sicherlich auch in der Industrie gefragt?

Biomaterialien wie Polyhydroxyalkanoate lassen sich für industrielle Anwendungen bestens einsetzen, wie zum Beispiel für Verpackung, Beschichtung und auch in der Landwirtschaft als nachwachsende Folie oder Düngerkapseln. Einerseits können durch Vernetzung biologisch abbaubare Gummis hergestellt, anderseits aber auch chemische Modifikationen durchgeführt werden, die die Materialeigenschaften grundlegend verändern können (z.B. wasserlösliches Polymer durch Oxidierung der Seitenketten). Konkret sind wir mit der Herstellung von Oberflächen zur Vermeidung von Biofilmen beschäftigt, die zur Beschichtung von Materialien benutzt werden können. Biologisch abbaubare Biopolyester können im Allgemeinen zur Reduktion von erdölbasierten Kunststoffen führen und somit zur Lösung der akuten Abfallprobleme der Entwicklungsländer beitragen.
Mikrobielle Expressionssysteme kommen bei der Erforschung von Materialien zum Einsatz. (Foto: BioLAGO)

Wie gehen Sie bei der Entwicklung der Biomaterialien vor und mit welchen Geräten operieren Sie dabei?

Zur Entwicklung und Herstellung von Biopolyestern wird eine Vielzahl von Geräten benötigt. Soll ein bestimmter Typ von Polyhydroxyalkanoat hergestellt werden, werden in einem Screeningverfahren die optimalen Produktionsstämme und Wachstumsbedingungen eruiert. Anhand von Satz- (Batch-) und kontinuierlichen Kulturen (Chemostat) im Labormaßstab werden die Bedingungen für höhere Zelldichten bestimmt. Um eine konstante Polymerzusammensetzung zu erzielen, bietet sich die Chemostatproduktion als optimale Methode an. In einem 20-Liter-Bioreaktor werden zur Zeit während vier bis sechs Wochen etwa ein Kilogramm Polyhydroxyalkanoat hergestellt. Die Vorgehensweise im Forschungsbereich Biomoleküle ist ebenfalls sehr stark von der Fragestellung abhängig. Die Biokonversion von Stoffen wird in der Regel mit einem Screeningverfahren in Kombination mit “Metabolic Engineering“ durchgeführt.

Wie funktioniert die Isolation von PHA aus Bakterien und ihre Verarbeitung zu einem „Bioplastic“ für die Etablierung im medizinischen Bereich?

Die Zellen mit PHA werden mittels Zentrifugation aufkonzentriert, gefriergetrocknet und schließlich mit organischem Lösungsmittel, beispielsweise Chloroform, Methylenchlorid oder Aceton, behandelt. Das PHA wird effizient gelöst und lässt sich filtrieren und schließlich in Methanol ausfällen. Weitere Schritte sind jedoch nötig, um ein PHA mit geringer pyrogener Aktivität zu erzielen. Im Allgemeinen liegen die Vorteile von PHA in den einstellbaren Materialeigenschaften, der Biokompatibilität und der Bioabbaubarkeit.

Sie suchen nach Bedingungen, unter welchen die Biosynthese-Enzyme für gewünschte Produkte stimuliert werden, um möglichste hohe Ausbeuten an Produkt zu erhalten: Welche Eigenschaften können das sein?

Höhere Aktivität und Stabilität und verbesserte Substratspezifizität sind primäre Ziele der Verbesserung, die schließlich zur Senkung von Produktionskosten für Biomaterialien führen. Wir arbeiten mit verschiedenen, gut etablierten mikrobiellen Expressionssystemen. So könnten theoretisch auch unkonventionelle, ganz unterschiedliche zellphysiologisch wichtige Induktionssysteme ausgenützt werden, Kontakt mit Oberflächen, pH, Sauerstoff, Nährstofflimitationen, Temperatur oder Substrate. Als Basis fungiert eine Literatur- und Patentrecherche bezüglich einer bestimmten Fragestellung. Dabei werden auch ähnlich verlaufende Prozesse in Betracht gezogen. Anschließend werden im Labor erste Experimente im Rahmen von Machbarkeitsstudien durchgeführt, worauf, im positiven Falle, Projekte aufgebaut werden.

Läuft die Suche nach bestimmten Materialeigenschaften immer reibungslos ab?

Die Empa in St. Gallen ist in sechs Departmente gegliedert. (Foto: BioLAGO)
In der Regel stellen uns die Beschaffenheiten von Biopolymeren während der Verarbeitung vor große Herausforderungen. So werden bei langsamen Verarbeitungsprozessen bei hohen Temperaturen Kettenabbrüche beziehungsweise eine rapide Abnahme der Molekulargewichte beobachtet. Beim Abkühlen können dagegen die langsame Kristallisierung oder auch Polymerisierung den Prozess stark einschränken. Dies ist nicht nur bei den thermoplastischen Polymeren ein Problem, sondern auch bei den Elastomeren aus PHA. Oberflächenbeschichtungen müssen speziell behandelt werden, damit die Klebrigkeit reduziert wird. Diese Eigenschaften können durch Additive oder durch optimierte Prozessführung verbessert werden. Die Zusatzstoffe sollen aber nicht die Bioabbaubarkeit oder die Bioverträglichkeit beeinflussen, was somit auch die Möglichkeiten stark einschränkt. Das Verfahren basiert hierbei auf gezielten Experimenten.

Inwiefern interagiert Ihre Forschungsabteilung mit Industriepartnern?

Unsere Abteilung, sowie die ganze Empa, sieht sich in einer Brückenfunktion zwischen Industrie, Gesellschaft und Wissenschaft. Sie ist eine Forschungsinstitution des ETH-Bereichs, dem die Eidgenössischen Hochschulen Zürich und Lausanne sowie weitere Forschungseinrichtungen angehören. Viele Projekte werden durch die Kommission für Technologie und Innovation (KTI) gefördert, so dass auch KMUs von den neuen Erkenntnissen profitieren können. In vereinzelten Fällen werden auch direkte Entwicklungsprojekte mit der Industrie mit vollständiger Geheimhaltung durchgeführt. Neben solchen Forschungsprojekten gehören auch reine Dienstleistungen zu unserem Alltag (z.B. Bioabbau, Biofilm, Fermentation oder PHA-Biosynthese). Ein Ziel von Forschungsprojekten ist die Erarbeitung von neuem Know-how und deren Patentierung unter Einbezug der Empa-Technologietransferstelle mit Vergabe von Lizenzen oder Beteiligung an Patenten von Industriepartnern.

Was sind Ihre Forschungsziele für die Zukunft?

Wir streben ganz klar eine international anerkannte Kompetenz in Biomaterialien und der Biokonversion an. Durch die Mitgliedschaft bei BioLAGO erhoffen wir uns nun interessante Kooperationen mit neuen möglichen Industriepartnern.

mst – 26.08.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Weitere Informationen zum Beitrag:
Dr. Manfred Zinn
Materials Science and Technology (Empa)
Abt. Biomaterials
Lerchenfeldstraße 5
9014 St. Gallen
Tel.: +41 71 274 76 98
Fax: +41 71 274 77 88
E-Mail: Manfred.Zinn@empa.ch
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/empa-biomaterials-massgeschneiderte-materialien-im-visier