Nanocellulosematerial für Wissenschaft, Medizin und Technik

Als wichtigster Gerüstbildner der Pflanzenwelt ist das Polysaccharid Cellulose ein nahezu unerschöpflicher polymerer Rohstoff mit einem faszinierenden Struktur- und Eigenschaftspotential. Durch reguläre Verknüpfung von D-Glucosebausteinen gebildet, zeichnet sich das hochfunktionalisierte, lineare und kettensteife Homopolymer Cellulose durch Hydrophilie, Chiralität, Bioabbaubarkeit, breite chemische Modifizierbarkeit und den Aufbau vielfältiger teilkristalliner Fasermorphologien aus. Die Biosynthese von Cellulose erfolgt nicht nur in Pflanzen, sondern auch mit Hilfe von Bakterien. Diese Bakteriencellulose unterscheidet sich deutlich von Cellulose pflanzlichen Ursprungs.

Mit Blick auf die weltweit stark expandierende interdisziplinäre Forschung und Produktentwicklung auf dem Cellulosegebiet beschäftigt sich POLYMET Jena mit dem aktuellen Wissensstand zu Struktur und Chemie der Cellulose sowie ihre Applikation in Wissenschaft, Technik und Medizin. Polymerwerkstoffe dieser Art gewinnen durch die fortgeschrittenen Möglichkeiten des Designs molekularer und supramolekularer Strukturen sowie deren Analytik  breite Anwendung im Bereich neuer Materialien und in der Medizin.

Dabei wird mit der Schwerpunktbildung zu bakteriell synthetisierter Nanocellulose ein Beitrag für die Entwicklung neuer Biomaterialien geleistet.


BNC-Hydrogel-Formkörper - 1% Cellulose, 99% Wasser
BNC-Hydrogel-Formkörper - 1% Cellulose, 99% Wasser
Aufnahme des gefrierge- trockneten BNC-Netzwerkes mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops
Aufnahme des gefrierge- trockneten BNC-Netzwerkes mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops
Aufnahme des nicht-getrockneten BNC-Netzwerkes mit Hilfe eines Laserscanningmikroskops
Aufnahme des nicht-getrockneten BNC-Netzwerkes mit Hilfe eines Laserscanningmikroskops

Bakterielle Nanocellulose (BNC)

Die Verknüpfung der wertvollen Eigenschaften der Cellulose mit den Charakteristika nanoskaliger Materialien verleiht der BNC ein spezifisches und einzigartiges Eigenschaftsprofil:

  • hochreines Homopolymer
  • 1% Nanocellulose binden 99% Wasser als formstabiles Hydrogel
  • mechanische Eigenschaften der Einzelfasern entsprechen denen von Stahl und Kevlar
  • mikroskopische Untersuchungen zeigen, dass die BNC aus einem dreidimensionalen hierarchisch aufgebautem Fasernetzwerk besteht, damit ähnelt ihre Struktur der von körpereigenem Gewebe wie z.B. Kollagen
  • Nanofasernetzwerk ist durchlässig für Flüssigkeiten, Ionen und kleine Moleküle und durch partielles Trocknen in seinem Wasserhaushalt regulierbar
  • bioverträglich und wird von lebenden Zellen besiedelt

Im Gegensatz zu pflanzlichen Cellulosen, die hauptsächlich aus Holz isoliert werden, wird BNC in einem biotechnologischen Prozess mit Hilfe von Essigsäurebakterien aus Traubenzucker aufgebaut. Dadurch kann die Biofabrikation unmittelbar gesteuert werden, sowohl hinsichtlich der Produktgestalt als auch der eigenschaftsbestimmenden Struktur. So lassen sich BNC-Filme, sphärische Partikel und Hohlkörper nahezu beliebiger Abmessung herstellen. Aus diesen Hydrogelen sind Aerogele, Organogele und Xerogele zugänglich. Neben diesen Formkörpern kann die BNC auch in Form von Fasersuspensionen und Nonwovens gewonnen werden.