Eine Einführung in bioinspiriertes Design

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Viele Dinge des täglichen Gebrauchs wurden von der Natur inspiriert, aber werden zukünftige Linsenpflegeprodukte durch das Auge bioinspiriert. Dr. Peter Vukusic und Professor Joe Barr untersuchen einige typische Beispiele für bioinspiriertes Design und demonstrieren, wie dieses Prinzip auf den Bereich der Kontaktlinsen übertragen werden kann. In der Welt der Biologie gibt es viele Beispiele für extrem funktionales und angepasstes Design, mit dem Tiere oder Pflanzen sich einen Vorteil in der Interaktion mit anderen und ihrer Umgebung verschaffen. Wissenschaftler beziehen ihre Inspiration häufig aus der Welt der Natur, die Lösungen für technologische, biomedizinische oder industrielle Fragestellungen liefern kann.

Bioinspiriertes Design, das manchmal auch als biomimetisches Design bezeichnet wird, hat zahlreiche Anwendungen in Produkten des täglichen Gebrauchs. Eine häufig als Bespiel herangezogene Erfindung ist der Klettverschluss (Abbildung 1).

Die Entdeckung des dem Klettverschluss zu Grunde liegenden Mechanismus im Jahr 1941 wird dem Schweizer Ingenieur George de Mestral zugeschrieben. Nach einem Spaziergang mit seinem Hund in den Alpen entdeckte er Kletten im Fell des Tiers. Bei näherer Beobachtung sah er, dass die Pflanze am Ende ihrer Schutzstachel mit zahlreichen kleinen Widerhaken versehen ist. Diese hatten die Klette fest mit den Schlingen verbunden, die durch das Fell des Hundes gebildet werden.

De Mestral erkannte die Möglichkeit, zwei synthetische Oberflächen miteinander zu verknüpfen, indem er ein vergleichbares künstliches System erzeugte, das aus Haken und Schlingen besteht, mit denen diese Oberflächen miteinander verbunden werden. Seine Erfindung wurde schließlich patentiert und die kommerzielle Fertigung aufgenommen. Seitdem erfüllt sie zahlreiche Funktionen in den verschiedensten häuslichen, wissenschaftlichen, industriellen und militärischen Anwendungen.

Analogien aus dem Tierreich

Jüngere Studien der Biologie und der Natur haben das Potenzial für viele bioinspirierte Produkte aufgedeckt. Dazu gehört u.a. das so genannte Gecko Tape, ein Klebeband, das nach dem gleichen Prinzip funktioniert wie die Füße des Geckos, die stark an glatten Oberflächen haften (Abbildung 2).

Geckos sind bekannt für ihre enorme Kletterfähigkeit, die es ihnen ermöglicht, die meisten Oberflächen selbst in vertikaler Richtung schnell zu überwinden und ihre Füße innerhalb von Millisekunden wieder von der Oberfläche zu lösen.

Gecko
Abbildung 2: Ein Gecko, der mit einem Fuß an einer Glasscheibe klebt (Vordergrund) und die Härchenstruktur seiner Haftorgane (Hintergrund).
(Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Stanislav Gorb. Copyright (2005) National Academy of Sciences, USA)

Die Oberflächenhaftung der Geckos funktioniert mit Hilfe mikroskopisch kleiner zweigartiger Fasern an der Unterseite ihrer Füße. Diese Fasern, die auch als Setae bzw. Härchen bezeichnet werden (in Abbildung 2 im Hintergrund zu sehen), bestehen aus starrem, federartigem und wasserabweisendem Keratin und sind selbstreinigend. Das verleiht ihnen die Fähigkeit, sich schnell anzuhaften und wieder zu lösen, selbst bei monatelangem konstantem Gebrauch, häufig unter wechselnden sauberen bzw. schmutzigen Bedingungen in der Natur.

Synthetische Oberflächen, die nach diesem Prinzip funktionieren sollen, befinden sich noch in der Frühphase der Entwicklung. Für Nischenanwendungen bietet Gecko Tape weit effizientere und geeignetere Hafteigenschaften als konventionelle viskoelastische Klebstoffe auf Polymerbasis.

Von Pflanzen lernen

Zwar bietet die Tierwelt ein großes Potenzial für Bioinspiration in der Technologie, Industrie und Biomedizin, aber auch Pflanzen sind eine wertvolle Quelle. Ein Beispiel ist das Blatt der Lotuspflanze, das ‘superhydrophobe’ Eigenschaften hat, d.h. extrem wasserabweisend ist. Dies wird häufig als ‘Lotuseffekt’ bezeichnet (Abbildung 3a).

Lotuseffekt
Abbildung 3a: Wasser perlt auf Grund der superhydrophoben Eigenschaften von der Oberfläche eines Lotusblatts (Nelumbo nucifera) ab. Beim Rollen über die Oberfläche sammeln die Wassertröpfchen Schmutzpartikel und Bakterien auf und hinterlassen eine saubere Oberfläche.
(Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Ralf Pfeifer)

Das Lotusblatt verfügt über mikroskopisch kleine Ausstülpungen und haarartige Nanostrukturen in Verbindung mit einer wachsartigen Oberflächenstruktur. Fällt ein Regenwassertropfen auf das Blatt, ist der Kontaktwinkel zur Oberfläche extrem groß, sodass sich eine Kugel bildet (Abbildung 3b).

Lotuseffekt
Abbildung 3b: Wassertropfen auf einer mit Lotus-Spray von BASF behandelten Holzoberfläche, die durch die Behandlung extrem wasserabweisend (superhydrophob) wurde.
(Abbildung mit freundlicher Genehmigung von BASF)

Diese Kugeln stehen nur mit 5% ihrer Oberfläche in Kontakt mit dem Blatt und rollen über die Blattoberfläche, wenn dieses geneigt ist, unterstützt von den Oberflächenstrukturen und Lufteinschlüssen unter der Kugel. Das führt dazu, dass Schmutz und Bakterien gesammelt und von der Oberfläche des Blattes entfernt werden [2].

Zu den durch diesen Effekt inspirierten Anwendungen gehören Gebäude-Sprühbeschichtungen auf Aerosol-Basis, die Außenwände wasserabweisend und selbstreinigend machen, und selbstreinigende Glasoberflächen.

Licht und Farbe

Der Entwurf und die Entwicklung von Anwendungen für optische Funktionen durch Bioinspiration haben in den letzten zehn Jahren an Dynamik gewonnen. Etliche biologische Systeme haben zu Methoden geführt, die Ausbreitung von Licht und Farben zu beeinflussen.

Die Photonik basiert auf den Prinzipien, durch die elektromagnetische Strahlung stark manipuliert werden kann, wenn sie mit periodischen Abweichungen des Refraktionsindex interagiert [3]. Einfache Systeme wie z.B. die Rillen auf einer CD oder Anti-Reflex-Beschichtungen auf Brillengläsern sind Beispiele für dieses Phänomen.

Bei diesen Beispielen sieht man auf Grund des Streueffekts der Rillen in der CD Spektralfarben, während die bei Brillengläsern auftretende Farbreflexion durch Interferenzen in der Mehrfachbeschichtung entsteht. Diese Art der Farberzeugung unterscheidet sich von der Art, die durch Lichtabsorption in Pigmenten oder Farbstoffen entsteht. Letztere entsteht durch Chromophore – Pigmente, die einige Wellenlängen selektiv absorbieren und andere streuen – wohingegen photonische Systeme das Licht direkt durch kohärente Streuung manipulieren und einige Wellenlängenbereiche durchlassen und andere nicht.

Die Wellenlängenbereiche, die nicht durchgelassen werden, werden reflektiert und sorgen so für das farbige Erscheinungsbild. Typische Beispiele hierfür sind die blauen Federn eines Pfaus oder die silbrigen Schuppen einiger Fischarten.

Blau irisierende Farben der Morphofalter
Abbildung 4a: Sein auffälliges, leuchtend blaues Erscheinungsbild verdankt der Morphofalter (hier abgebildet: M rhetenor) der kohärenten Streuung des Lichts innerhalb mikroskopisch kleiner Strukturen in und auf seinen Flügelschuppen.

Bei bestimmten Tier- oder Pflanzengattungen sind photonisch-basierte farbige Erscheinungsformen sehr weit entwickelt. Dazu gehören u.a. die leuchtend blau irisierenden Farben der Morphofalter (Abbildung 4a). Die intensive Schattierung und extreme Auffälligkeit dieser Gattung resultiert aus einer Reihe übereinander liegender Strukturen auf den Schuppen ihrer Flügel, die für eine kohärente Streuung sorgen. Die schichtartige Struktur und die Kanten erzeugen die irisierende Wirkung und verstärken auch die Seitensichtbarkeit des Falters [4].

Von der Kosmetik bis zum Schutz vor Fälschungen

In der Kosmetik hat man sich beim Design von Morphofaltern und anderen Schmetterlingen inspirieren lassen. L’Oreal hat im Hinblick auf die Bio-Optik in der Kosmetikbranche eine Vorreiterrolle übernommen. Durch Nachahmung der Art und Weise, wie Licht und Farbe von den Flügelschuppen der Morphofalter manipuliert werden, und unter Verwendung inerter synthetischer Materialien für die Erzeugung regelmäßiger Mikro- und Nanostrukturen hat L’Oreal die Ästhetik seiner Kosmetikprodukte durch ein natürlich inspiriertes Design vorangetrieben (Abbildung 4b).

Inerte synthetische Materialien
Abbildung 4b: L’Oreal hat sich von biologischen photonischen Systemen inspirieren und entwickelte eine Kosmetikserie auf der Grundlage der Photonik.
(Abbildung mit freundlicher Genehmigung von L’Oreal)

Das Erscheinungsbild vieler Tierarten beinhaltet optische Eigenschaften, die für das menschliche Auge extrem auffällig sind, und andere, die dem menschlichen Auge verborgen bleiben. Dies hat dazu geführt, dass Bioinspiration auch in einem anderen ungewöhnlichen Gebiet angewendet wird, nämlich dem Schutz vor Fälschungen. Zwar bleibt ein Großteil der kommerziellen Entwicklungen in diesem Bereich höchst geheim, aber aus Patentrecherchen lassen sich einige Informationen ableiten.

Papilio palinurus erscheint für das menschliche Auge grün, aber seine Flügelschuppen verfügen über mikroskopisch kleine Regionen mit leicht versetzten gelben und blauen Farbzentren [5]. Das menschliche Auge kann solch kleine einzelne Farbzentren nicht auflösen, sodass durch additive Farbmischung der Eindruck eines komplett grünen Flügels entsteht.

Reflexion einer Farbe
Abbildung 5a: Die leuchtend grüne Flügelfarbe des Papilio palinurus ist das Ergebnis additiver Farbmischung, die dadurch entsteht, dass mikroskopisch kleine, nebeneinander liegende Farbzentren von der gleichen photonischen Nanostruktur aus gleichzeitig die Strukturfarben Gelb und Blau reflektieren.

Synthetische Möglichkeiten für ein verdecktes Sicherheitsmerkmal ergeben sich aus der Art der Reflexion einer der beiden Farben (Abbildung 5a). Nur in den blauen Farbzentren wird das einfallende Licht von den geneigten Seiten der einzelnen mehrschichtigen Strukturen doppelt reflektiert. Dies hat den Effekt der Polarisierung der Blaureflexion und resultiert in einer Eigenschaft, die die reflektierte gelbe Komponente nicht hat.

Reflexion einer Farbe
Abbildung 5b: Diese Eigenschaften der gleichen photonischen Nanostruktur – die gleichzeitig die Strukturfarben Gelb und Blau reflektieren – können als Basis für ausgefeilte fälschungssichere Logos auf Geldscheinen verwendet werden.

Für den Schutz gegen Fälschungen bieten synthetische strukturelle Variationen dieses biologischen Systems eindeutige Vorteile und befinden sich derzeit im Entwicklungsstadium mit dem Ziel modernster Anwendungen im Bereich des Fälschungsschutzes für Banknoten wie z.B. das mit einem OVD-Kinegramm versehene Produkt in Abbildung 5b.

Das natürliche Auge nachahmen

Bioinspirierte Konzepte können eine wichtige Rolle in der Medizintechnik spielen und Patienten die Verwendung hochwertiger Produkte ermöglichen. In der Augenoptik wird mit akkommodativen Intraokularlinsen versucht, die natürlich Augenlinse so gut wie möglich nachzuempfinden, sodas sich diese mit dem Auge mitbewegt und die Patienten in naher, mittlerer und weiter Entfernung gleich gut sehen können. B+L Crystalens HD, eine IOL mit verbesserter akkommodativer Optik, die Patienten durch ihre höhere Schärfentiefe das Beste aus zwei Welten bietet, hat das gleiche Design wie eine natürliche Augenlinse. Die tägliche Funktion der Crystalens, die Art, wie sie sich auf dem Auge bewegt, kommt der natürlichen Augenlinse so nah, wie es irgend möglich ist (Abbildung 6).

Reflexion einer Farbe
Abbildung 6: B+L Chrystalens HD™; eine verbesserte akkommodative IOL, die der natürlichen Augenlinse nachempfunden ist.

Im Bereich der Kontaktlinsen setzen Wissenschafter Bioinspiration bereits bei Kontaktlinsenmaterialien ein, um die Eigenschaften der Augenoberfläche nachzuahmen. Augentropfen sind bereits so formuliert, dass ein Austrocknen des Auges auf der Grundlage des Verständnisses und der Nachahmung der Physiologie des Auges verhindert wird.

Auch das Verständnis des menschlichen Tränenfilms und seiner Komponenten kann neue Designs inspirieren, die optimale Lösungen für Kontaktlinsenträger hervorbringen. So spielen z.B. Proteine und Lipide im Tränenfilm eine wichtige Rolle beim Schutz und der Benetzung der Hornhaut und Bindehaut. Proteine wie Lysozym und Lactoferrin schützen das Auge dank ihrer antimikrobiellen Eigenschaften auf natürliche Weise vor Infektionen. Das ebenfalls im Tränenfilm vorkommende Lipocalin ist ein Protein, das Lipide bindet und ein Austrocknen der Hornhautoberfläche verhindert. Technologien, die das Auge beim Schutz der Struktur und Funktion des Lipocalins nachahmen, können die Homeostase aufrecht erhalten, was ein wichtiger Aspekt der Bioinspiration ist.

Die Zukunft

Die Verbesserung des Tragegefühls für Kontaktlinsenträger ist eine der Prioritäten von Herstellern und Anbietern von Kontaktlinsen und Linsenpflegeprodukten. Marketing, F&E und Produktion sind ständig auf der Suche nach neuen Designs, mit denen diese wichtigen Kundenanforderungen erfüllt werden.

Die Natur und der menschliche Körper sind wundervolle Datenbanken, aus denen man Ideen und Konzepte entlehnen kann. Die Bioinspiration weist uns in neue Richtungen, die nicht das Produkt unserer eigenen begrenzten Erfahrung sind, sondern auf Millionen von Jahren der Evolution basieren. Bioinspirierte Materialien und Therapien haben bereits Einzug in alle Bereiche der medizinischen Versorgung gehalten, auch in der Augenpflege.

Die Sehkorrektur mit Kontaktlinsen unter Beibehaltung eines natürlichen Trageerlebnisses kann sich an einem bioinspirierten Ansatz orientieren. Würden sich die Polymere, aus denen Kontaktlinsen hergestellt werden, an der Natur orientieren oder wären Kontaktlinsen so aufgebaut, dass der Tränenfluss zwischen Linsen und Hornhautoberfläche die Biologie des Auges nachempfindet, würden Patienten die Linsen einsetzen und bald vergessen, dass sie überhaupt Linsen tragen. Sie würden die Linse den ganzen Tag bei unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen tragen und keinerlei Beschwerden oder Augenreizungen haben.

Wenn Wissenschaftler mehr über das Auge und seine Selbsterhaltungsfunktion herausfinden, werden weitere Produkte auf der Grundlage dieses fantastischen Organs entwickelt werden. Dies wird der Tag sein, an dem wir behaupten können, Bioinspiration erfolgreich für unsere Kontaktlinsenträger eingesetzt zu haben.

Literaturverweise:

  1. Sanchez C, Arribart H and Guille MMG. Biomimetism and bioinspiration as tools for the design of innovative materials and systems. Nature Materials 2005; 4:4 277-288.
  2. Barthlott W and Neinhuis C. The lotus-effect: nature’s model for self cleaning surfaces. International Textile Bulletin (2001);1: 8–12.
  3. Vukusic P and Sambles JR. Photonic structures in biology. Nature 2003; 424:6950 852-855.
  4. Vukusic P, Sambles JR, Lawrence CR and Wootton RJ. Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proc Roy Soc Lond B 1999;266: 1403-11.
  5. Vukusic P, Sambles JR and Lawrence CR. Structural colour: colour mixing in the wing scales of a butterfly. Nature 2000;404: 457. .

Die Autorin dieses Artikels – Dr. Peter Vukusic ist Associate Professor an der School of Physics, University of Exeter. Professor Joe Barr ist Vice President, Global Clinical & Medical Affairs und Professional Services (Vision Care) bei Bausch + Lomb.

Erstmals veröffentlicht in Optician, 9. April 2010

 

Bausch & Lomb


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