Auf dem Weg zu umweltfreundlicheren Gläsern: Wissenschaftler entwickeln biologisch abbaubares Glas

Glas ist in unserem Alltag omnipräsent – ob als einfaches Wasserglas, in Form von Fensterscheiben oder in diversen Anwendungsfällen in der Technik. Glas besteht aus Quarzsand, Acryl oder auch Metallen und ist stabil sowie optisch präsent. Außerdem ist es beständig gegenüber den meisten chemischen Einflüssen. Allerdings ist Glas auch nicht biologisch abbaubar, was gerade bei Hightech-Gläsern aus Metallen oder metallorganischen Strukturen ein Problem. Chemiker:innen gelang es nun, ein Glas herzustellen, das nicht nur transparent und stabil ist, sondern auch in der Natur oder im Körper abgebaut werden kann.

Bild: Xing et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0

Glas aus biologischen Molekülen

Ein typisches Merkmal für Glas ist seine amorphe Struktur: Das Rohmaterial wird geschmolzen und daraufhin so schnell abgeschreckt, dass es nicht auskristallisieren kann und in einem quasi flüssigen Zustand erstarrt. Das führt zu einem stabilen Material, das aber nicht biologisch abgebaut werden kann. Dies ließe sich ändern, wenn es möglich wäre, Gläser aus Biomolekülen wie etwa Peptiden oder Proteinen herzustellen. Diese sind allerdings nicht hitzebeständig, sodass das für die Herstellung von Glas nötige Erhitzen und Abschrecken nicht in Frage kommt.

Einem Team rund um Ruirui Xing von der chinesischen Akademie der Wissenschaften gelang es nun dennoch, ein biologisches Glas zu entwickeln, das optisch, mechanisch und chemisch die Eigenschaften von Glas aufweist, allerdings biologisch abgebaut werden kann. Ausgangsstoffe des neuen Bioglases sind Aminosäuren und Peptide, die chemisch modifiziert wurden, sodass sie über eine bessere Hitzebeständigkeit verfügen. Hierfür haben die Forscher:innen die Moleküle um Acetylgruppen, Benzyloxycarbonylgruppen oder 9-Fluorenylmethyloxycarbonylgruppen als eine Art stabilisierende Schutzgruppen ergänzt.

Auch im Körper biologisch abbaubar

Das neue Bioglas ist thermisch und mechanisch stabil. Dennoch konnten Tests belegen, dass es in der Natur gut und relativ vollständig abgebaut werden kann. „ Glas aus Acetyl-Aminosäuren wurde in einer Kompostierungsanlage innerhalb von drei Wochen zersetzt„, so die Forscher:innen. Die Zersetzung eines Glases aus einem mit Benzyloxycarbonylgruppen stabilisierten Peptid dauerte in der Erde etwa 7,5 Monate. Und sogar in biologischen Geweben, so zeigte sich, kann das biomolekulare Glas scheinbar problemlos abgebaut werden, stellte sich im Tests mit Mäusen heraus. Die Wissenschaftler:innen implantierten Glaskügelchen unter die Haut oder in die Muskulatur der Tiere, wo sie zuerst weich wurden und dann im Vergleich mehrerer Wochen immer kleiner, bis sie schließlich ganz verstanden. Während dieses biochemischen Abbaus wurden weder Entzündungs- noch Abstoßungsreaktionen beobachtet. Somit könnte das Bioglas etwa auch als Material für orthopädische Implantate eigesetzt werden.

„Unser Glasmaterial repräsentiert damit einen entscheidenden Schritt hin zur Entwicklung umweltfreundlicher Gläser aus biologischen Ausgangsstoffen. Unsere in-vitro- und in-vivo-Experimente belegen, dass diese biomolekularen Gläser biokompatibel, kompostierbar, biologisch abbaubar und biorecycelbar sind„, so Xing und sein Team. Das Glas eröffne neue Möglichkeiten, nützliche Materialien und die biologische Welt miteinander zu vereinen.

Das Team will die biomolekularen Gläser nun weiterentwickeln und sie in größerem Maßsstab herstellbar und einsatzfähig machen. „Noch ist unser biomolekulares Glas erst im Laborstadium, bis zu einer Kommerzialisierung in großem Maßstab ist es daher noch ein weiter Weg„, So Xuehai Yan, der als Seniorautor an der Studie beteiligt war.

via Chinese Academy of Science