Nach dem Vorbild der Natur

Die meisten unserer gängigen Klebstoffe haben eines gemeinsam: Sollen sie gut haften, müssen die Klebflächen trocken und sauber sein. Das aber schränkt ihre Anwendungsmöglichkeiten erheblich ein. In nasser Umgebung, wie beispielsweise in unseren Körpergeweben, halten sie nicht. Wenn in der Medizin beispielsweise künstliche Gelenke oder andere Implantate befestigt werden sollen, müssen daher andere Lösungen her.

Auf der Suche nach Klebern, die selbst unter solchen Bedingungen haften, blicken Wissenschaftler deswegen zu einem der größten Erfinder überhaupt – der Natur. Denn Schnecken, Muscheln oder Seepocken machen es uns vor: Sie haften trotz Meerwasser und oft glitschigen Untergründen an Felsen oder Holzbuhnen und bleiben selbst bei starker Brandung haften. Forscher versuchen daher schon seit einigen Jahren, hinter das Geheimnis dieser biologischen Superkleber zu kommen. Dabei zeigt sich: In vielen Fällen stecken auch hier Hydrogele dahinter.

Entenmuschel: Hydrogel als Schaumfloß und Superkleber

Ein Beispiel dafür haben Vanessa Zheden von der Universität Wien und ihre Kollegen vor einigen Jahren am Nordseestrand entdeckt: die Entenmuschel Dosima fascicularis. Dieser muschelähnliche Rankenfußkrebs produziert ein schaumartiges Hydrogel, mit dem er sich an Treibgut anheftet und so durch das Meer treiben lässt. Durch den starken Auftrieb des porösen Gels kann der kleine Krebs diesen Schaum sogar als Floß nutzen – unter den Seepocken, zu denen dieser Krebs gehört, ist dies einzigartig.

Nähere Analysen ergaben, dass das Schaumfloß der Entenmuschel aus einem Gerüst vernetzter Proteine mit geringer Kohlehydrat-Beimischung besteht. Mehr als 90 Prozent der porösen Masse besteht jedoch aus dem in dieses Hydrogel eingelagerten Wasser. Unterbrochen ist dieses Gerüst von unzähligen Gasbläschen, die vorwiegend Kohlendioxid enthalten, wie die Forschenden ermittelten. Einmal ausgehärtet, klebt dieser Schaum den Krebst nicht nur an beliebigen Oberflächen fest, er ist auch stoßunempfindlich und elastisch – wie ein Schaumstoff. Nach Ansicht von Zheden und ihrem Team könnte sich dieser natürliche Superkleber daher überall dort eignen, wo in Medizin und Technik ein wasserfestes und gleichzeitig dämpfendes Material benötigt wird.

Schneckenschleim als Vorbild für reversible Klebung

Was aber ist, wenn man einen Kleber braucht, der nicht nur auf allen Oberflächen klebt, sondern auch folgenlos wieder entfernt werden kann? In der Technik sind solche reversiblen Kleber bisher rar, aber in der Natur gibt es sie schon seit Jahrmillionen – unter anderem im Schleim von Schnecken. Dieses Hydrogel bildet beim Trocknen eine extrem haltbare, feste Verbindung zum Untergrund und hält die Tiere sogar an einer senkrechten Wand, dennoch können sie diese Verbindung auch wieder lösen.

Nach dem Vorbild des Schneckenschleims haben Hyesung Cho von der University of Pennsylvania und sein Team nun einen Polymer-Kleber entwickelt, der ähnlich gut klebt wie ein Sekundenkleber, aber vollständig reversibel ist. Basis dieses Kleber bildet das Polymer-Gel Poly(2-hydroxyethylmethacrylat), kurz PHEMA, ein Hydrogel, das unter anderem schon in weichen Kontaktlinsen eingesetzt wird. Durch kleine Modifikationen gewannen die Forscher daraus ein Gel, das je nach Wassergehalt reversibel von einem weichen, elastischen Zustand in einen glasartig harten mit hoher Klebekraft wechselt.

Im Experiment haftete das getrocknete Hydrogel so stark, dass eine 87 Kilogramm schwere Testperson von nur zwei kleinen Klebstreifen gehalten wurde. Wenn man es jedoch befeuchtet, kehrt es in seinen hydratisierten, weichen Zustand zurück. „PHEMA ist damit einzigartig: Die perfekte Kombination seiner physikalischen Eigenschaften ist der Schlüssel zu seiner superstarken und reversiblen Klebekraft“, konstatieren Cho und seine Kollegen.