Bionisch inspirierte selbstreparierende Materialien<\/p>\n
Stipendienschwerpunkt Bionik:Das Leben auf unserer Erde hat eine mehr als 3,8 Milliarden Jahre dauernde Entwicklungsgeschichte. Die Natur hat w\u00c3\u00a4hrend dieses Entwicklungsprozesses geniale Konstruktionsprinzipien und zahlreiche, teilweise \u00c3\u00bcberraschende Probleml\u00c3\u00b6sungen entwickelt. Bionik befasst sich mit der systematischen \u00c3\u0153bertragung dieses hohen Potentials “biologischer Kreativit\u00c3\u00a4t” in technische Anwendungen. ThemaDas Thema dieses Forschungsprojektes ist die Wundheilung bei Pflanzen. Durch \u00c3\u00a4u\u00c3\u0178ere Verletzungen oder durch interne Wachstumsprozesse (sekund\u00c3\u00a4res Dickenwachstum) k\u00c3\u00b6nnen innerhalb des Pflanzengewebes Risse entstehen, die durch Reparaturprozesse verschlossen werden und so die Pflanze vor unkontrolliertem Wasserverlust und Infektionen sch\u00c3\u00bctzen und letztendlich auch die mechanische Stabilit\u00c3\u00a4t wiederherstellen. Im Rahmen dieser Promotion werden morphologisch-anatomische und mechanische Ver\u00c3\u00a4nderungen im Wundbereich untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Projektes ist die Untersuchung der biochemischen und physiologischen Prozesse, die der Wundheilung zu Grunde liegen. Wundheilung bei PflanzenEs wurden Untersuchungen an den Lianen Aristolochia macrophylla und Aristolochia ringens durchgef\u00c3\u00bchrt. Im Querschnitt ihrer Sprossachse befindet sich ein peripherer Festigungsring aus verholzten Sklerenchymfasern. Durch sekund\u00c3\u00a4res Dickenwachstum des innenliegenden Xylems und Phloems kommt es zu radialen und tangentialen Spannungen, welche zu Rissen im Sklerenchymring f\u00c3\u00bchren. In einer ersten Phase dringen benachbarte turgeszente parenchymatische Zellen auf Grund verletzungsbedingter Ver\u00c3\u00a4nderungen im Spannungs-Dehnungs-Feld in den Riss ein. In dieser ersten Phase erfolgt die Versiegelung des Risses \u00c3\u00bcberwiegend durch physikalisch-chemische Prozesse, die zu Verformungen der Zellwand der reparierenden Zellen f\u00c3\u00bchren. Anschlie\u00c3\u0178end kommt es zu Zellteilungen und Zellwachstum. In einer sp\u00c3\u00a4teren Phase stabilisieren sich die Reparaturzellen durch Zellwandverdickung und Lignifizierung, wodurch die mechanische Funktion des umliegenden Festigungsgewebes zumindest tempor\u00c3\u00a4r wieder hergestellt wird [1-3]. Biochemische UntersuchungenIn Untersuchungen von an wachsendem Gewebe konnte gezeigt werden, dass Sauerstoffradikale an Wachstumsprozessen beteiligt sind. Sie f\u00c3\u00bchren dabei vermutlich zur Spaltung der Zellulosemikrofibrillen und dadurch zu einer Plastifizierung der Zellwand [4,5]. Mit Hilfe der Elektronenspinresonanz Spektroskopie und verschiedener F\u00c3\u00a4rbetechniken wird in dieser Arbeit der Einfluss von Sauerstoffradikalen bei der Wundheilung untersucht. In diesem Projekt interessiert uns insbesondere die Frage, ob es bei der Wundheilung zu einer Plastifizierung der Zellw\u00c3\u00a4nde kommt [6]. Bionische UmsetzungDas aus den biologischen Versuchen gewonnene Verst\u00c3\u00a4ndnis soll durch Abstraktion der Prinzipien zu einer direkten bionischen Umsetzung bis zum Laborma\u00c3\u0178stab f\u00c3\u00bchren. Eine erste m\u00c3\u00b6gliche technische Anwendung ist eine selbstreparierende Membran f\u00c3\u00bcr spezielle pneumatische Strukturen, die auf dem Tensairity\u00c2\u00ae-Prinzip basieren. Hier konnte bereits ein erster Demonstrator hergestellt werden, bei dem eine in Tensairity\u00c2\u00ae-Strukturen einsetzbare Membran derart beschichtet wurde, dass bei Verletzungen der Membran mit N\u00c3\u00a4geln mit Durchmessern von bis zu 5 mm ein Reparaturfaktor von zwei bis drei Gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178enordnungen erreicht wurde [1,2]. Produkte mit Selbstreparatureffekt haben folgende Vorteile:- Erh\u00c3\u00b6hung der Nutzungsdauer – Ressourcenschonung – verbesserten Marktakzeptanz und Erweiterung des Einsatzbereiches – Umweltschonung durch die Verwendung recyclingf\u00c3\u00a4hige Materialien<\/p>\n
Literatur<\/p>\n
1. Speck, O., R. Luchsinger, S. Busch, M. R\u00c3\u00bcggeberg und T. Speck (2006): Self-repairing membranes for pneumatic structures: transferring nature’s solutions into technical applications. Proceedings of the 5th Plant Biomechanics Conference, Stockholm.<\/p>\n
2. Speck, T., R. Luchsinger, S. Busch, M. R\u00c3\u00bcggeberg und O. Speck (2006): Self-healing processes in nature and engineering: self-repairing biomimetic membranes for pneumatic structures, in Design and Nature III, Editoren: M. Collins and C.A. Brebbia, WIT Press: Southampton.<\/p>\n
3. Busch, S., Seidel, R., Speck,O. und T. Speck (2010): Morphological aspects of self-repair of lesions caused by internal growth stresses in stems of Aristolochia macrophylla and Aristolochia ringens. Proc. R. Soc. B published online before print, doi:10.1098\/rspb.2010.0075<\/p>\n
4. Liszkay, A., B. Kenk und P. Schopfer (2003): Evidence for the involvement of cell wall peroxidase in the generation of hydroxyl radicals mediating extension growth. Planta 217:658-667.5. Liszkay, A., E. van der Zalm und P. Schopfer (2004): Production of Reactive Oxygen Intermediates (O2*-, H2O2, and *OH) by Maize Roots and Their Role in Wall Loosening and Elongation Growth. Plant Physiology 136:3114-3123.<\/p>\n
6. Busch, S., T. Speck, A. Liszkay, O. Speck, und R. Luchsinger (2006): Self-repair processes in plants as concept generators for innovative biomimetic technical materials with self-repairing functions. Proceedings of the 5th Plant Biomechanics Conference, Stockholm.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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