Erster biologisch abbaubarer Klettverschluss

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Entwickelt in Anlehnung an Kletterpflanzen

Eine von Barbara Mazzolai, Direktorin des Zentrums für Mikro-Bio Robotik am Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Pontedera bei Pisa koordinierte Forschungsgruppe hat den ersten Prototyp eines weichen, biologisch abbaubaren und löslichen Klettverschlusses entwickelt, der sich an der Mikrohakenstruktur des Kletten-Labkrauts (Galium aparine) orientiert und in Geräten zur Überwachung und zum Schutz der Umwelt sowie in der Präzisionslandwirtschaft eingesetzt werden soll. Die in der internationalen Fachzeitschrift Communications Materials veröffentlichte Forschungsarbeit zeigt, wie die künstlichen Mikrohaken für eine Reihe von Geräten verwendet werden können, die, wenn sie an Pflanzenblättern angebracht werden, als eine Art temporäres Pflaster fungieren und nützliche Substanzen in das Gefäßsystem der Pflanze abgeben, oder als intelligente Clips, die drahtlos Informationen über den Gesundheitszustand von Nutzpflanzen übermitteln.

Klettenlabkraut – Foto © CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

Das Kletten-Labkraut besitzt einen besonderen Mechanismus zur parasitären Verankerung, der es ihm ermöglicht, mit Hilfe von Mikrohaken an ihren Blättern über andere Pflanzen zu klettern. Diese Haken ermöglichen es der Pflanze, sich während ihres Wachstums an den Oberflächen anderer Pflanzen zu verankern und diese als physischen Halt zu nutzen. Die Forscher des IIT haben die Struktur dieser natürlichen Mikrohaken sowohl aus morphologischer als auch aus biomechanischer Sicht untersucht, um ihre Eigenschaften künstlich zu reproduzieren. Die Haken wurden mit einem hochauflösenden 3D-Drucker hergestellt, wobei eine Reihe von sehr widerstandsfähigen Materialien verwendet wurde, deren Eigenschaften an die jeweilige Anwendung angepasst werden können, beispielsweise an lichtempfindliche oder biologisch abbaubare Materialien aus Isomalt, einer zuckerähnlichen Substanz.

„Unsere Studien beginnen immer mit der Beobachtung der Natur und versuchen, die Strategien von Lebewesen mit Hilfe von umweltfreundlichen Robotertechnologien nachzubilden“, kommentierte Mazzolai. „Mit diesem jüngsten Forschungsprojekt haben wir erneut bewiesen, dass es möglich ist, innovative Lösungen zu schaffen, die nicht nur die Gesundheit unseres Planeten, insbesondere der Pflanzen, überwachen, sondern diese auch nicht verändern“. Die Mikrohakenstruktur wurde auf ihre Verankerungskapazitäten hin getestet und erwies sich als fähig, sich fest an einer Reihe von Pflanzenarten zu verankern. Auf der Grundlage dieser Form von Klettverschluss haben die Forscher eine Reihe von Vorrichtungen für die Präzisionslandwirtschaft und den Umweltschutz entwickelt.

Eine erste Anwendung wurde so konzipiert, dass sie die Cuticula von Pflanzen auf kaum invasive Weise durchdringt und die Überwachung und Behandlung von Pflanzen ermöglicht. Indem sie an der Pflanze befestigt werden, können sich die Isomalt-Mikrohaken mit dem Gefäßsystem des Blattes verbinden und sich, da Isomalt löslich ist, darin auflösen. Diese Anwendung ermöglicht es, die Mikrohaken als Pflaster zu verwenden, das lokal nützliche Substanzen, Arzneimittel, Pestizide oder Bakterizide an die Blätter abgeben kann, wodurch die Nutzung der natürlichen Ressourcen optimiert und der übermäßige Einsatz von Pestiziden verringert wird, was zum Schutz der Ökosysteme beiträgt. Außerdem löst sich das Pflaster nach dem Auftragen auf, so dass keine Abfälle anfallen.

„Diese Mikrohaken sind vielseitig und haben es uns ermöglicht, eine Reihe von Anwendungen zu entwickeln und ein Patent anzumelden“, erklärt Isabella Fiorello, Forscherin in der Gruppe von Mazzolai am IIT in Genua und Hauptautorin des Projekts. „Diese Form der Verankerung kann für die In-situ-Überwachung des Mikroklimas der Pflanze, wie Temperatur, Feuchtigkeit und Licht, oder für die kontrollierte Freisetzung von Molekülen in das Gefäßsystem der Pflanze genutzt werden“.

Insbesondere wurden mit einem lichtempfindlichen Harz gedruckte Haken mit Elektronik und Sensoren für Licht, Temperatur und Feuchtigkeit zu einem einheitlichen System zusammengefügt, wodurch intelligente Clips für die drahtlose Überwachung der Pflanze über beide Seiten des Blattes entstanden. Schließlich haben die Forscher auf der Grundlage derselben Struktur ein mikrorobotisches System entwickelt, das sich mit Mikroschritten über die Blattoberfläche bewegen kann.