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\u00e4hrend dieses Entwicklungsprozesses geniale Konstruktionsprinzipien und zahlreiche, teilweise \u00fcberraschende Probleml\u00f6sungen entwickelt. Bionik befasst sich mit der systematischen \u00dcbertragung dieses hohen Potentials “biologischer Kreativit\u00e4t” in technische Anwendungen. ThemaDas Thema dieses Forschungsprojektes ist die Wundheilung bei Pflanzen. Durch \u00e4u\u00dfere Verletzungen oder durch interne Wachstumsprozesse (sekund\u00e4res Dickenwachstum) k\u00f6nnen innerhalb des Pflanzengewebes Risse entstehen, die durch Reparaturprozesse verschlossen werden und so die Pflanze vor unkontrolliertem Wasserverlust und Infektionen sch\u00fctzen und letztendlich auch die mechanische Stabilit\u00e4t wiederherstellen. Im Rahmen dieser Promotion werden morphologisch-anatomische und mechanische Ver\u00e4nderungen 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\u00fchrt. Im Querschnitt ihrer Sprossachse befindet sich ein peripherer Festigungsring aus verholzten Sklerenchymfasern. Durch sekund\u00e4res Dickenwachstum des innenliegenden Xylems und Phloems kommt es zu radialen und tangentialen Spannungen, welche zu Rissen im Sklerenchymring f\u00fchren. In einer ersten Phase dringen benachbarte turgeszente parenchymatische Zellen auf Grund verletzungsbedingter Ver\u00e4nderungen im Spannungs-Dehnungs-Feld in den Riss ein. In dieser ersten Phase erfolgt die Versiegelung des Risses \u00fcberwiegend durch physikalisch-chemische Prozesse, die zu Verformungen der Zellwand der reparierenden Zellen f\u00fchren. Anschlie\u00dfend kommt es zu Zellteilungen und Zellwachstum. In einer sp\u00e4teren Phase stabilisieren sich die Reparaturzellen durch Zellwandverdickung und Lignifizierung, wodurch die mechanische Funktion des umliegenden Festigungsgewebes zumindest tempor\u00e4r wieder hergestellt wird [1-3]. Biochemische UntersuchungenIn Untersuchungen von an wachsendem Gewebe konnte gezeigt werden, dass Sauerstoffradikale an Wachstumsprozessen beteiligt sind. Sie f\u00fchren dabei vermutlich zur Spaltung der Zellulosemikrofibrillen und dadurch zu einer Plastifizierung der Zellwand [4,5]. Mit Hilfe der Elektronenspinresonanz Spektroskopie und verschiedener F\u00e4rbetechniken 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\u00e4nde kommt [6]. Bionische UmsetzungDas aus den biologischen Versuchen gewonnene Verst\u00e4ndnis soll durch Abstraktion der Prinzipien zu einer direkten bionischen Umsetzung bis zum Laborma\u00dfstab f\u00fchren. Eine erste m\u00f6gliche technische Anwendung ist eine selbstreparierende Membran f\u00fcr spezielle pneumatische Strukturen, die auf dem Tensairity\u00ae-Prinzip basieren. Hier konnte bereits ein erster Demonstrator hergestellt werden, bei dem eine in Tensairity\u00ae-Strukturen einsetzbare Membran derart beschichtet wurde, dass bei Verletzungen der Membran mit N\u00e4geln mit Durchmessern von bis zu 5 mm ein Reparaturfaktor von zwei bis drei Gr\u00f6\u00dfenordnungen erreicht wurde [1,2]. Produkte mit Selbstreparatureffekt haben folgende Vorteile:- Erh\u00f6hung der Nutzungsdauer – Ressourcenschonung – verbesserten Marktakzeptanz und Erweiterung des Einsatzbereiches – Umweltschonung durch die Verwendung recyclingf\u00e4hige Materialien<\/p>\n
Literatur<\/p>\n
1. Speck, O., R. Luchsinger, S. Busch, M. R\u00fcggeberg 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\u00fcggeberg 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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