Forschung

Gegenstand der Forschung am NFS Bioinspirierte Materialien ist es, Inspiration aus der Natur zu verwenden, um neue, künstliche Materialien zu entwickeln, die ihre Eigenschaften «auf Kommando», also durch einen Anstoss von aussen, verändern können. Diese oft auch als «intelligent» oder «smart» bezeichneten Materialien sind von grundsätzlichem wissenschaftlichem Interesse. Gleichzeitig haben sie das Potenzial für zahlreiche Anwendungen, die von der Klimaregelung in Gebäuden bis hin zu Systemen zur zielgenauen Abgabe von Wirkstoffen in der Medizin reichen.

Seit einiger Zeit haben Wissenschaftler begonnen, Beobachtungen aus der Natur als Inspiration für die Schaffung künstlicher Materialien mit erstaunlichen, stimulierbaren Eigenschaften zu verwenden. Beispiele neuartiger Materialien, deren Eigenschaften am NFS beteiligte Forschungsgruppen studiert haben, sind mechanisch adaptive Nano-Verbundwerkstoffe, die von der Seegurke inspiriert sind, Nanopartikel für den Medikamententransport, die der Struktur und dem Tarnverhalten von Viren nachempfunden sind, oder auch optische Elemente, welche die Nanomuster auf Schmetterlingsflügeln nachahmen.

Mit dem Ziel, bahnbrechende wissenschaftliche Entdeckungen zu ermöglichen und das enorme Innovationspotenzial dieses Forschungsfeldes freizusetzen, hat der neue NFS eine gross angelegte interdisziplinäre Forschungsinitiative lanciert, welche Kompetenzen in Chemie, Physik, Materialwissenschaft, Biologie und Medizin bündelt.

Die Forschung wird in drei interdisziplinären Modulen organisiert, die sich auf folgende Themen konzentrieren: Mechanisch responsive Materialien auf unterschiedlichen Längenskalen, biologisch inspirierte Selbstorganisation optischer Materialien sowie responsive biologische Grenz- und Oberflächen.

  • Forschungsmodul 1. Mechanisch-responsive Materialien auf unterschiedlichen Längenskalen

    Mechanisch-responsive Materialien kommen in der Natur in zahlreichen lebenden Organismen vor und ermöglichen die unterschiedlichsten lebenswichtigen Funktionen, wie etwa den Schutz vor Fressfeinden, Morphing, Wahrnehmung und Reaktion. Die Funktionen entstehen oftmals durch mechanisch gesteuerte biochemische Prozesse, die auf unterschiedlichen Längenskalen innerhalb des biologischen Materials stattfinden können. Die stressinduzierten konformativen Veränderungen der Membranproteine der Zellen, die mechanisch gesteuerte Variation der Ionendurchlässigkeit der Zellorganellen, die scherinduzierte Ruptur von Mikrobehältern und die abgestimmte Aktion unterschiedlicher Zellen bei der Regeneration von Gewebe sind Beispiele für mechanisch gesteuerte Prozesse, die auf zunehmend gröberen Längenskalen ablaufen. Diese mechanisch gesteuerten Phänomene regeln die Adhäsions- und Gating-Eigenschaften der Zellmembranen, ermöglichen die Freisetzung von reaktiven Spezies in die Umwelt und triggern die komplexen Abläufe, die die Selbstheilung, die Regeneration und den Umbau von Gewebe ermöglichen.

    Modul 1 wurde durch diese breite Palette an biologischen Materialien inspiriert. Sein Hauptziel besteht darin, mechanisch-induzierte Phänomene auf unterschiedlichen Längenskalen zu modellieren und anzuwenden, um mechanische, optische und biologische Reaktionen zu erzielen, die bisher bei künstlichen Materialien nicht möglich waren. Dazu kombiniert unser Team das Know-how im Bereich der chemischen Synthese, der Bildung von Nanopartikeln, der Verkapselung und des 3D-Drucks, um ein breites Spektrum an Längenskalen abzudecken und mechanisch-responsive hierarchische Materialien mit einzigartigen Funktionen zu entwickeln.

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  • Forschungsmodul 2. Biologisch inspirierte Selbstorganisation optischer Materialien

    Die leuchtenden Farben von Pflanzen, Insekten, Vögeln und Säugetieren gehören zu den spannendsten und reizvollsten Beispielen dafür, wie die Natur komplexe Materialien erschafft und sie für spezifische Funktionen wie Signalgebung oder Tarnung verwendet. Die Diversität der biologischen Organismen und ihrer unterschiedlichen Umgebungen hat eine grenzenlose Vielfalt an Organisationsprozessen und Materialarchitekturen hervorgebracht, die von der Natur in Jahrmillionen entwickelt wurden. Im Alltag spielen farbige Beschichtungen und Pigmente eine wichtige Rolle für zahlreiche Anwendungen und Konsumgüter wie Lacke, Lebensmittel, Bildschirme, Verpackungen und optische Filter. Die Entwicklungsziele für eine industrielle Anwendung ähneln oft den Herausforderungen, vor denen die Natur steht: hohe Reinheit der Farbe, optische Dichte, Bleichstabilität und lange Lebensdauer.

    Modul 2 dient dazu, die Inspiration aus der Natur zu nutzen, um die biologische Organisation optischer Materialien besser zu verstehen und einzusetzen. Unsere Hauptziele bestehen darin, neue Konzepte für die Entwicklung von optischen Materialien zu erarbeiten, die von der Natur inspiriert wurden, diese herzustellen und in praktischen Anwendungen zu testen. Dazu ist das Forschungsprogramm in zwei Teile gegliedert: 1) Verständnis der Organisation optischer Materialien und Entwicklung eines neuen Toolsets für spezifische optische Strukturen sowie 2) Herstellung und Anwendung optischer Materialien, die auf strukturellen Farbkonzepten basieren, die an die Natur angelehnt sind. Die Forschungsarbeit in diesem Modul bringt das sich ergänzende Fachwissen aus Kolloidchemie, Physik, Streuung und Selbstorganisation von Kolloiden zusammen. Forscher aus Modul 1 leisten weiteren Input von synthetischer Seite, und einige der Ergebnisse kommen Modul 3 zugute, etwa im Bereich Biosensorik.

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  • Forschungsmodul 3. Responsive biologische Grenz- und Oberflächen

    Die Herstellung von responsiven Materialien, die die komplexe und dynamische Zellumgebung nachahmen, hat in den letzten zehn Jahren viele Wissenschaftler beschäftigt. Solche Materialien können nicht nur das Zellverhalten direkt beeinflussen (extrinsische Reize), sondern können auch ihre Eigenschaften bei der Interaktion mit Zellen verändern (intrinsische Reize). Darüber hinaus hat sich die Verwendung solcher “intelligenten” Materialien zur Detektion von hochverdünnten Biomarkern in komplexen biologischen Flüssigkeiten wie zB im Blut als eine mögliche Anwendung für klinische Diagnosegeräte entwickelt.

    Modul 3 zielt darauf ab, das bisher erworbene Verständnis der  Schnittstelle zwischen Nanomaterialien und biologischen Oberflächen  zu erweitern. In den einzelnen Projekten sollen (i)Materialien die stimuliert werden können als Substrate zur Steuerung des Zellwachstums und der Gewebedifferenzierung verwendet werden, (ii) die Wechselwirkungen der Materialien mit Zellen auf einer grundlegenden Ebene untersucht und verstanden werden. Weiterhin sollen (iii) spezifische Zellreaktionen induziert bzw. gehemmt werden, um beispielsweise die intrazelluläre Nanopartikelkonzentration zu erhöhen oder Virusinfektionen zu hemmen, und (iv) Biomarker sollen in analytisch komplexen und verdünnten Umgebungen, wie zirkulierender Tumor-DNA, erfasst werden. Diese sehr anspruchsvollen Ziele erfordern einen interdisziplinären Ansatz, der durch das breite Spektrum der in diesem Modul vertretenen Experten aus den Bereichen Materialwissenschaften, Zellbiologie und Medizin, ermöglicht wird.

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