Künstliche Linsen und Beugungsgitter aus Seide

Seidenraupen liefern exzellentes Rohmaterial für funktionsfähige implantierbare und biokompatible optische Mikrokomponenten

Medford (USA) - Aus den Kokons von Seidenraupen lassen sich glänzende Gewebe spinnen - oder exakte physikalische Komponenten bauen. Diese optischen Linsen und Beugungsgitter mit Nanometer großen Strukturen sind nicht nur umweltfreundlich und körperverträglich, so die Entwickler aus den USA. Sie lassen sich auch per Bio-Dotierung, also über das Einbringen biologischer Substanzen, in ihren optischen Eigenschaften gezielt verändern und anpassen. Die Forscher berichten die Details ihrer neuen Technik im Fachblatt "Macromolecules".

"Das Faszinierendste ist, dass sich die Komponenten komplett in wässrigen Umgebungen und bei Raumtemperatur herstellen, verarbeiten und optimieren lassen - was die Möglichkeit eröffnet, biologische Rezeptoren wie Proteine und Enzyme einzufügen", erklärt Fiorenzo Omenetto, Professor für Biomedizinische Ingenieurwissenschaften an der Tufts University, gegenüber dem Institute of Physics. Sein Team war auf der Suche nach neuen Materialien, um geschädigte Hornhaut im Auge, die Cornea, zu ersetzen. Dabei stießen sie auf die optischen Eigenschaften der Seide, die zum Großteil aus Eiweißen besteht. Nach entsprechender Verarbeitung zeigen die fertigen Bauteile eine hohe Durchlässigkeit zwischen 90 und 95 Prozent im größten Teil des sichtbaren Lichtspektrums. Beugungsgitter aus Seide, mit bis zu 125 Nanometer breiten Furchen mit glatten Seitenwänden, lenkten 37 Prozent des auftreffenden Lichts einer weißen Laserlichtquelle (Superkontinuum) in die erste Beugungsordnung. Gitter bis zu 50 mal 50 Millimeter ließen sich herstellen, berichtet das Team, ebenso wie Mikrolinsen, Mustergeneratoren und Strahlumformer.

Der Herstellungsprozess beginnt wie bei der Seidenspinnerei mit dem Kochen der Kokons für rund eine halbe Stunde. Dabei denaturieren die Seidenproteine, das Fibroin. Dann fügten Omenetto und Kollegen die gewünschten Fremdmaterialien wie Hämoglobin oder das Enzym Peroxidase hinzu, um das Rohmaterial zu dotieren und in seinen Eigenschaften zu verändern. Schließlich gossen sie diese Fibroin-Lösung in die Rohformen der gewünschten Komponenten, wo das Wasser verdunstete und einen rund 100 Mikrometer dünnen Film zurückließ, der nur noch aus der Form zu lösen war.

Als nächstes will das Team versuchen, andere optische Elemente und Sensoren auf Seidenbasis zu produzieren. "Wir können anspruchsvolle optische Elemente aus reinem Protein herstellen, das die biochemische Aktivität der eingebetteten Bio-Dotierungen erhält", fasst Omenetto zusammen. "Neue funktionale Eigenschaften lassen sich nahtlos in das optische Element integrieren. Die Bio-Dotierung öffnet breite Wege für Photonik-Komponenten, die umweltfreundlich und biomedizinisch kompatibel sind."