Bionik Ihr Leben, das ist ein Kleben

Der Blick in den Mund verheißt Robert Sader nichts Gutes. Anstelle des linken Schneidezahns klafft eine Lücke, wund und rot: Wieder einmal hat ein Patient einen künstlichen Zahn verloren. "Vor allem bei infektanfälligen Menschen kommt das oft vor", sagt der Kieferchirurg von der Universitätsklinik in Frankfurt am Main. Sader erneuert Implantate, die ausgefallen sind oder sich gelockert haben, weil sich Zahnfleisch und Knochen ringsum entzündeten. Der Grund für eine solche Implantitis: Das Gewebe umschließt das fremde Material nicht richtig, in den Spalt dringen Bakterien ein. Das könnte künftig eine Paste nach Art der Miesmuschel verhindern.

Der neuartige Klebstoff soll das Implantat lückenlos mit dem Zahnfleisch verbinden und zugleich so fest verankern, dass die Beißer einer harten Brotkruste widerstehen. Da sich Miesmuscheln mit einem Sekret bombenfest an Felsen heften und starken Wellen trotzen, könnte im Mund gelingen, was im Meer tagtäglich geschieht. Synthetischen Muschelleim produzieren Chemiker des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen seit Anfang des Jahres - Sader testet ihn im Labor.

Für Zahnärzte und Chirurgen

Das Bundesforschungsministerium stiftet 300 000 Euro für dieses Unterfangen, das - sofern von Erfolg gekrönt - ein praktisches Ziel hat: Der Freiburger Implantate-Hersteller Straumann will die Paste an Zahnkliniken und -praxen liefern. "Es besteht sehr großes Interesse seitens der Medizintechnikbranche", weiß Sader. Rund eine Million Zahnimplantate werden jedes Jahr in Deutschland gesetzt, den 65-Jährigen fehlen im Schnitt zwölf bis fünfzehn Zähne.

Profitieren könnten neben den Dentalmedizinern auch die Chirurgen. Was sie heute nähen oder mangels Möglichkeiten gar nicht fixieren, würden sie dann vielleicht kleben. Herzklappen ließen sich so befestigen, ein Riss in der Lunge schließen. Man könnte eine Hörprothese in den Gehörgang verpflanzen oder die verletzte Leber eines Unfallopfers zusammenfügen. Das Besondere am Miesmuschelsekret ist, dass es Kunststoffe oder Metalloberflächen mit Naturmateralien, also etwa Implantate mit Gewebe, verbinden kann. "Eine solche Substanz fehlt uns", sagt Sader.

Kleben, die Fügetechnik des 21. Jahrhunderts

Seine Eigenschaften machen den Wunderkitt aus dem Ozean auch für die chemische Industrie interessant. Er gilt als ungiftig und umweltverträglich, besteht er doch aus Eiweißstoffen, während die kommerziellen Produkte bisher auf Chemikalien basieren, die besser nicht in großen Mengen in den Körper und in die Umwelt gelangen. Außerdem halten sie schlecht im Feuchten, eine Tasse verliert den angefügten Henkel nach einigen Spülmaschinengängen wieder. "Beim Befestigen unter Wasser versagen industrielle Klebstoffe völlig", stellt Klaus Rischka fest, Chemiker am Fraunhofer-Institut in Bremen.

Das Portfolio mag derzeit noch einige Lücken aufweisen, doch das Kleben entwickelt sich zur Fügetechnik des 21. Jahrhunderts. Immer seltener halten Schrauben die Einzelteile von Möbeln, Flugzeugen und Elektronikgeräten zusammen, mehr als 15 Kilogramm Haftmittel stecken heutzutage in jedem Auto. Das Fahrzeug wird dadurch sogar sicherer: "Weil die Kräfte bei einem Unfall gleichmäßig über die Klebenaht verteilt werden", erklärt der Bremer Werkstoffwissenschaftler Andreas Groß.

Biologischer Zement

Um die Produktpalette der Haftstoffe zu erweitern, sucht die Industrie in der Natur nach kreativen Lösungen und schaut sich vor allem bei Meerestieren um "Die Vielfalt ist unglaublich groß. Jede Spezies verwendet ihren eigenen Cocktail", sagt Herbert Waite, Biochemiker von der University of California in Santa Barbara. Der Begründer der bionischen Haftforschung hat als Erster das Sekret der Miesmuschel entschlüsselt. Das inspirierte andere Forscher, sich Röhrenwurm und Seepocke vorzuknöpfen - mit Erfolg.

Bei den meisten Muscheln, Fröschen, Schnecken, Tintenfischen und Quallen ist allerdings nach wie vor wenig über die Zusammensetzung ihres Haftsekrets bekannt. Alle diese Biokleber beruhen auf Proteinbasis, das steht immerhin fest. Und es gibt neben den dauerhaften Varianten auch nur vorübergehend haltende, die Landtieren als Gehhilfe dienen: der Schleim von Schnecken beispielsweise, der es ihnen erlaubt, senkrechte und überhängende Wände zu bezwingen.

Klebegel und Lösungsmittel

Wer dagegen im Ozean bestehen und an einem guten Futterplatz in der Brandung verweilen möchte, muss sich wie Miesmuschel und Seepocke festzementieren. Pure Energieverschwendung wäre es, sich hier mit Muskelkraft den Wellen entgegenzustemmen. Einige Tiere verblüffen die Zoologen mit kuriosen Klebetricks. Rippenquallen etwa, die ihre Beute mit Hafttentakeln umschlingen; Seegurken schleudern ein Lasso über ihre Feinde; der Röhrenwurm rührt in seinem Körper einen Mörtel aus Sand und Proteinen an, mit dem er seine Behausung auskleidet.

Einen der stärksten Klebstoffe setzt der Seestern ein. Will man ihn gewaltsam aufheben, können die Füßchen an der Unterseite seiner Arme abbrechen. Trotzdem sind Seesterne keineswegs fest an einer Stelle verankert, sondern wandern auf dem Meeresboden umher. Ein Paradoxon, das den Meeresbiologen Patrick Flammang von der Académie Universitaire Wallonie-Bruxelles in Mons fasziniert. Anfangs glaubte er, dass die Füße wie Saugnäpfe funktionieren, fand dafür aber keinen Beweis. Stattdessen entdeckte der Belgier ein recht aufwendiges Wechselspiel verschiedener Substanzen. Erst sondern Seesterne ein schnell klebendes Gel ab, dann ein Lösemittel, das die Bodenhaftung wiederaufhebt. Aber die Methode hat sich offenbar bewährt, Strandwürmer marschieren auf ähnliche Weise durch die Brandung.

Schwierige Laborbedingungen

Im Labor lässt Flammang die Spezies Asterias rubens über Glasteller kriechen. Die Seesterne hinterlassen dabei Spuren, in denen der Wissenschaftler sieben sogenannte Glycoproteine ausmachen konnte, deren Zucker- und Eiweißbausteine miteinander verschweißt sind. Schicht um Schicht trägt das Tier sie auf, wobei sich die Moleküle lebend vernetzen, wie Flammang im Jahr 2008 im Journal of Structural Biology zeigen konnte. Die Erforschung der biologischen Klebstoffe geht allerdings im wahrsten Wortsinn nur zäh voran. Denn die Tiere geizen mit ihren Sekreten - weniger als ein Milligramm gibt Flammangs Kolonie aus zwei Dutzend Seesternen täglich ab.

Der Proteinbrei haftet außerdem auch überall dort, wo er den Biologen wenig nützt, etwa an ihren Händen. Obendrein müssen sie extrem flink arbeiten: "Sobald der Kleber erst einmal fest geworden ist, ist es unglaublich schwer, ihn für die praktische Forschung zu nutzen", klagt der japanische Seepockenspezialist Kei Kamino. Es sind also recht langwierige Studien. Der australische Chemiker John Ramshaw beispielsweise gab seine Suche bei Fröschen wieder auf, er arbeitet nun mit Kollagenklebern.

Entwicklung aus der Wundheilung?

Aufgrund der Widrigkeiten ist jeder Fortschritt an der Klebstoffzunft hart umkämpft. Als kürzlich Dan Rittschof von der Duke-Universität im amerikanischen Beaufort eine erstaunliche Analogie zwischen Seepockenleim und Blutgerinnung erkannte, war das ein echtes Highlight. Seinem Team standen nur fünf Minuten zur Verfügung, das frisch produzierte Sekret zu analysieren, bis es zu Zement geworden war.

Trotz der knappen Zeit entdeckten die Zoologen, dass die Substanzen im Seepockenleim den Bestandteilen des Blutes verblüffend ähneln. Enzyme aus der Klasse der Proteasen lassen in einem Fall den Schorf entstehen, im anderen den Kitt aushärten. Rittschof vermutet im Journal of Experimental Biology, dass sich die Klebetechnik der Seepocke auf evolutionären Umwegen aus der Wundheilung entwickelt hat.

Röhrenwürmer und Seegurken

"Das sind spannende Neuigkeiten", würdigt Patrick Flammang die Ergebnisse der amerikanischen Kollegen, wohl wissend, wie mühsam solche Publikationen zu erringen sind. Seine Seesterne würden ihn wohl die Geduld verlieren lassen, würde sich Flammang nicht noch anderen Kleisterproduzenten widmen: Nacht für Nacht bohren Röhrenwürmer Kanäle in den Sand der Aquarien, und jeden Morgen entnimmt der Belgier die ein bis zwei Zentimeter langen Gänge mit den zementierten Wandungen.

Auch einige Seegurken hält Flammang, der weltweit bekannt ist als - einziger - Spezialist für Seesternkleber. In den Fangschlingen von Seegurken hat er Phosphorverbindungen entdeckt, die für die Festigkeit des Eiweißklebers sorgen. Viel mehr weiß Flammang derzeit nicht über diese ungewöhnlichen Labortiere, durch die er selbst noch mehr zum Exoten unter den Wissenschaftlern wurde.

Das Sekret der Miesmuschel

Andere stürzen sich unterdessen auf die bewährte Miesmuschel, weil man über ihr Sekret längst genau Bescheid weiß und dessen Einsatz in der Praxis nahe scheint. Die extreme Haftung des Leims wird auf den Bestandteil Dihydroxyphenylalanin zurückgeführt, schlicht "Dopa" genannt. Dopa reagiert flott und bereitwillig mit jedem Material, deshalb können sich Miesmuscheln felsenfest an Metall, Holz und sogar an Teflon hängen, wo eigentlich nichts haften soll. Eine Fähigkeit, die Reeder ärgert, weil der Bewuchs von Schiffsrümpfen den Spritverbrauch in die Höhe treibt.

Neben der Haftung an der Oberfläche, der Adhäsion, bestimmt die innere Festigkeit, die Kohäsion, wie belastbar ein Leim ist. Um beides gleichermaßen zu gewährleisten, hat die Industrie Zwei-Komponenten-Klebstoffe entwickelt. Nacheinander aufgetragen, reagieren die Flüssigkeiten miteinander und härten aus: Die Moleküle vernetzen sich dabei im Inneren, docken aber auch außen an die Fläche an. Diese Verwandlung wird durch Radikale, hochreaktive Chemikalien, angestoßen, die im Licht aktiv werden.

Die Miesmuschel kommt dagegen ohne Radikale aus. Ihr Komponentensystem besteht aus zwei Proteinmischungen, und den Klebevorgang startet kein Licht, sondern ein Enzym. Es ist eine Tyrosinase, die dafür sorgt, dass sich Dopa bildet. Dieses Molekül vernetzt die Eiweißfäden und lässt sie hart wie Zement werden, und zwar schnell. "Das Ganze muss zwischen zwei Wellen passieren, sonst wird die Muschel weggespült", sagt Herbert Waite.

Annäherung ans biologische Rezept

Obwohl man das Werk der Miesmuschel genau versteht, können Forscher die Natur nur imitieren, nicht kopieren. "Es wäre zu kostspielig und zu aufwendig, alle beteiligten Proteine künstlich zu erzeugen", räumt der Chemiker Klaus Rischka ein. "Wir versuchen, dem Klebstoff möglichst nahe zu kommen." Dafür genügt es, nur die vernetzenden Brückenstücke, kleine Eiweißmoleküle, samt Dopa synthetisch zu produzieren. Mehrere Milligramm am Tag stellen die Bremer Fraunhofer-Forscher von diesem weißen Pulver her. Eine empfindliche Substanz, die sie bei minus zwanzig Grad im Gefrierschrank aufbewahren. Wird das Pulver zum Beispiel herkömmlichen Kunststoffen beigemischt, entsteht ein Kitt, der nicht ganz so fest wie das Muscheloriginal haftet.

Das wissen auch die Bremer Forscher, die ein eigenes "marin inspiriertes" Klebstoffsystem entwickelt haben: Zwei damit verbundene Metallblöcke lassen sich zumindest nicht von Hand trennen. Wie beanspruchbar das Imitat tatsächlich ist, ermitteln nun Ingenieure der Technischen Universität Darmstadt, indem sie die Kraft messen, die aufgeklebte Tierhäute von Titanplatten trennt. Die Verträglichkeit prüfte Kieferchirurg Robert Sader in den vergangenen Monaten wiederum an Knochen- und Hautzellen.

Das Immunsystem verträgt's

"Die Versuche sind hervorragend gelaufen", sagt Sader. Die Zellen kämen mit dem Fremdstoff gut zu Rande und teilten sich unverändert wie zuvor. Erleichtert ist der Kieferchirurg auch darüber, dass der Muschelkleister nicht das Immunsystem gegen sich aufbringt, was andere Eiweiße von Meeresfrüchten durchaus bewirken. Eine heftige allergische Reaktion wäre bei einem medizinischen Eingriff lebensbedrohlich.

"Die Bestandteile unseres Klebers sind sauberer und in dieser Hinsicht ungefährlich", schließt Sader aus seinen Tests. Einen Nachteil gibt es allerdings - der Werkstoff baut sich im Laufe der Zeit ab. Vermutlich werden Implantatträger den Kitt immer wieder nachlegen müssen. Doch dazu existieren noch keine Studien. Mit dem Beginn der ersten klinischen Tests am Menschen rechnet Robert Sader in fünf Jahren.

Auf den Auftrag kommt es möglicherweise an

Stanislav Gorb vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung dämpft derweil überschäumdende Erwartungen. "Jedes Tesaband hält besser als der Klebstoff der Miesmuschel", sagt der Zoologe, der sich selbst als "skeptischen Bioniker" bezeichnet. Entscheidend sei, wie die Substanz aufgetragen werde. Das Schalentier verdrängt das Wasser, indem es seinen Fuß zu einer Saugglocke wölbt. In den entstehenden Hohlraum werden Eiweißfäden plaziert, die einen Klebepfropf am Ende tragen, hat Gorb beobachtet. Nur so könne sich das Tier festzementieren. Gut möglich also, dass dementsprechend auch der künstliche Muschelleim seine volle Wirkung nur entfalten kann, wenn er aus einem speziellen Gerät gepresst wird.

Solche Einwände hindern den passionierten Bioniker Herbert Waite nicht daran, seine Vision vom "grünen Kleben" zu vertreten. Waite träumt von einem Haushaltsklebstoff in einer Doppelkammerflasche, der nur Proteine und keine chemischen Lösemittel enthält - ganz wie der "Wet Wonder Glue" der Miesmuschel, ein wahrer Wunderkleister.