Neuer Kunststoff zeigt Schäden selber an

Forschenden der Universität Basel ist es gelungen, ein Material aus Polymeren und fluoreszierenden Proteinen herzustellen, das mikroskopische Risse und Schäden visuell selber anzeigen kann. Das könnte dazu beitragen, katastrophales Materialversagen zu verhindern – zum Beispiel bei Flugzeugteilen oder bei Implantaten. Die Forschungsresultate aus dem Departement Chemie wurden im Fachmagazin «Angewandte Chemie» veröffentlicht.

Bei der Herstellung des Hybridmaterials machten sich die Forschenden den Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET) zwischen fluoreszierenden Proteinen zunutze. Dies ist ein physikalischer Prozess, bei dem Energie zwischen zwei nur wenige Nanometer auseinander liegenden fluoreszierenden Proteinen übertragen wird. Da sich bereits kleinste Veränderungen im Abstand zwischen den Molekülen auf die fluoreszierenden Eigenschaften des Proteinpaars auswirken, hat sich FRET in den Naturwissenschaften als optisches Analysewerkzeug etabliert, mit dem sich Abstände im Nanometerbereich messen lassen.

Dr. Nico Bruns vom Departement Chemie der Universität Basel und Mitarbeitende der University of California in Berkeley haben zwei verschieden leuchtende Proteine in ein drittes, sogenanntes Thermosom-Protein eingebunden und in einem Abstand zueinander platziert, der die Energieübertrag von einem fluoreszierenden Protein auf das andere erlaubt. Anschliessend wurde dieser Proteinkomplex in einen Kunststoff eingebettet. Der Clou dabei ist, dass der hergestellte Proteinkomplex eine Sollbruchstelle aufweist, die genau zwischen den beiden fluoreszierenden Proteinen verläuft.

Solange sich die beiden Proteine – ein cyan-fluoreszierendes Protein und ein gelb-fluoreszierendes Protein – im vorgegebenen Abstand befinden, geben sie ein gelbliches Licht ab, da FRET stattfindet und Energie vom blauen Cyan-Protein auf das gelb-fluoreszierenden Protein übertragen wird. Dadurch leuchtet diese stärker.

Dieser Prozess wird unterbrochen, wenn sich das Polymer verfestigt. Dabei treten feinste mechanische Spannungen auf, die sich auf den Proteinkomplex übertragen. Die beiden Thermosom-Hälften driften dann auseinander, der Abstand der beiden Leucht-Proteine verändert sich und mit ihm die Farbe der Fluoreszenz zu blau. Sobald aber der Kunststoff beschädigt wird und Risse entstehen, entspannt sich der Proteinkomplex um einen Riss herum in seine natürliche Form. Dann findet wiederum FRET statt, was die Farbe der Fluoreszenz im Bereich der Beschädigung von blau zurück zu gelb ändert.

Den Forschenden ist es gelungen, mit dem Wechsel der Fluoreszenz im Hybridmaterial mikroskopische Risse unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. Nun wollen sie die Methode verfeinern, um damit bereits eine einsetzende Rissbildung im Nanometerbereich aufzuspüren, bevor sie sich zu Mikrorissen und schliesslich zu strukturzerstörenden Brüchen ausweiten kann.

Originalbeitrag
Nico Bruns, Katarzyna Pustelny, Lisa M. Bergeron, Timothy A. Whitehead, and Douglas S. Clark: Mechanical Nanosensor Based on FRET within a Thermosome: Damage-Reporting Polymeric Materials, Angew. Chem. 2009 | DOI: 10.1002/anie.200900554

Weitere Auskünfte
Dr. Nico Bruns, Departement Chemie der Universität Basel, Tel. +41 (0)61 267 38 35, E-Mail: nico.bruns[at]  unibas.ch

Die Abbildung stammt aus folgendem Artikel: Nico Bruns, Katarzyna Pustelny, Lisa M. Bergeron, Timothy A. Whitehead und Douglas S. Clark. Angew. Chem. 2009, 121, Early View (Online). Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.