In unserem Alltag ist Glas allgegenwärtig, handelt es sich um ein schlichtes Trinkglas, eine Fensterscheibe oder eine Brille. Es ist aber dringend nötig, biologisch abbaubare und biorecyclbare Gläser zu entwickeln. Also Gläser, die eine minimale Umweltbelastung aufweisen und nicht zuletzt einer kreislauforientierten Materialwirtschaft beitragen.
Das Glas besteht aus Quarzsand, Acryl oder auch Metallen und zeichnet sich durch Stabilität und optische Klarheit aus. Doch herkömmliche Gläser aus Quarzsand, Metallen oder Acryl sind wegen ihrer schlechten biologischen Abbaubarkeit nicht unbedingt umweltfreundlich. Gläser aus Biomolekülen wie Peptiden und Proteinen könnten eine Lösung sein, aber sie waren bisher aufgrund ihrer mangelnden Hitzebeständigkeit für die Glasherstellung ungeeignet.
Material für temporäre orthopädische Implantate
Nun haben Forschende ein neues biomolekulares Glas aus Aminosäuren und Peptiden entwickelt, ein Glas, das alles ändern kann. Es weist vergleichbare mechanische, optische und chemische Eigenschaften wie herkömmliches Glas auf und kann außerdem in der Natur und im Körper schnell abgebaut werden. Von daher eignet es sich beispielsweise als Material für temporäre orthopädische Implantate.
Wie wird biologisch abbaubares Glas hergestellt?
Die Chemiker haben das bioabbaubare Glas durch eine chemische Modifikation von Aminosäuren und Peptiden entwickelt. Das Glas ist trotz seiner amorphen Struktur transparent und stabil. Das neue Glas wird aus Aminosäuren und Peptiden als Ausgangsstoffen hergestellt, die chemisch modifiziert wurden, um ihre Hitzebeständigkeit zu erhöhen. Dabei wurden stabilisierende „Schutzgruppen“ wie Acetylgruppen (-C(O)CH3), Benzyloxycarbonylgruppen (C8H7O2) oder 9-Fluorenylmethyloxycarbonylgruppen (Fmoc) zu den Biomolekülen hinzugefügt.
Dadurch ist es möglich, sie zu schmelzen, ohne dass sie denaturieren. Das Team um Ruirui Xing konnte durch eine genaue Kontrolle der Erwärmungs- und Abkühlungsraten die Flüssigkeit zu Glas abschrecken, ohne dass es zu einer Kristallisation kam. Das Ergebnis war ein klarer, amorph strukturierter Feststoff, der in seinen mechanischen Eigenschaften dem mineralischen Glas sehr ähnlich war. Xing und sein Team berichten, dass einige der Biogläser sogar weniger zerbrechlich waren als Acrylglas oder einige metallische Gläser.
Biokompatibel, kompostierbar, biologisch abbaubar und biorecycelbar
Im Gegensatz zu anorganischen Gläsern oder Plexiglas kann dieses biomolekulare Glas auf dem Kompost zersetzt werden und – was noch wichtiger ist – wird auch vom Körper ohne negative Auswirkungen abgebaut, wie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ beschrieben.
Xing und seine Kollegen betonen, dass ihr Glasmaterial einen wichtigen Schritt hin zur Entwicklung umweltfreundlicher Gläser aus biologischen Ausgangsstoffen darstellt. Sie zeigen durch ihre In-vitro- und In-vivo-Experimente, dass diese biomolekularen Gläser biokompatibel, kompostierbar, biologisch abbaubar und biorecycelbar sind. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten, nützliche Materialien und die biologische Welt miteinander in Einklang zu bringen. Schließlich kann das neuartige Glas überall verwendet werden und wäre auf jeden Fall eine umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Gläsern.
Biologisch abbaubares Glas muss weiterentwickelt werden
Die Forschenden arbeiten nun daran, diese biomolekularen Gläser weiterzuentwickeln und sie auch in größerem Maßstab herstellbar und einsetzfähig zu machen. Schließlich handelt es sich bisher um einen Prototyp, das biomolekulare Glas sei nach Angaben der Forschenden noch im Laborstadium. Bis zur kommerziellen Verwendung in großem Maßstab ist demzufolge noch ein langer Weg.
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