BIOMINT - Biomimetische Mineralisation für die Technik - Dresden

Das ForMaT-Vorhaben

Im Zentrum des Vorhabens steht die Nutzung der besonderen Eigenschaften pyroelektrischer kristalliner Materialien in Verbindung mit biotechnologischen und physiko-chemischen Prozessen. Mit diesem neuartigen technologischen Ansatz sind vielversprechende Anwendungen im Bereich der Bioverfahrenstechnik, der Umwelttechnologie und der Lebenswissenschaften verknüpft.

Pyroelektrizität ist die Eigenschaft bestimmter Materialien, auf eine Temperaturänderung mit der Ausbildung einer Oberflächenladung zu reagieren, in deren Folge in der Umgebung des Materials ein elektrisches Feld wirksam wird. Erreichbar sind, abhängig von Struktur und Morphologie des kristallinen Materials, Feldstärken von mehreren Kilovolt pro Millimeter, welche beispielsweise eine reversible bzw. irreversible Permeabilisierung, d.h. Durchlässigkeit von Zellmembranen initiieren können.

Eine gezielte Sekretion extrazellulärer Enzyme, die Gewinnung intrazellulärer Produkte oder das Abtöten von Mikroorganismen zur Desinfektion sind aussichtsreiche Anwendungen. Die mit dem pyroelektrischen Effekt verbundenen Ionisierungs- und Ladungstransferprozesse ermöglichen überdies eine Regeneration von Cofaktoren, die für die Funktion einer Vielzahl von Enzymen essenziell sind. Als Cofaktoren, auch Coenzyme, werden an Enzyme gebundene Moleküle bezeichnet, die während einer biochemischen Reaktion verbraucht werden. Für eine kontinuierliche enzymbasierte Reaktion ist eine Regeneration von Cofaktoren erforderlich. Durch diese Regeneration ergibt sich ein vielversprechender Zugang für die im Zusammenhang mit der Biokatalyse wirtschaftlich hochattraktive Verwendung Cofaktoren-abhängiger Enzyme.

Am Vorhaben sind folgende Institute der TU Dresden beteiligt:

  • Institut für Strukturphysik, Nachwuchsgruppe Nanostrukturphysik
  • Institut für Werkstoffwissenschaft
  • Institut für Genetik
  • Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik

Die Ziele

Ziel des Vorhabens ist es, eine neue Technologieplattform zur Nutzung pyroelektrischer Materialien in der Bioverfahrenstechnik, der Umwelttechnologie und den Lebenswissenschaften zu schaffen. Die Wirksamkeit der hohen elektrischen Felder um Pyroelektrika für ausgewählte Prozesse ist durch neuere Arbeiten aus den Forschungsbereichen des Konzeptteams belegt.

Wichtige zukünftige technologische Anwendungen  betreffen unter anderem die heterogene Katalyse, den Einsatz in vielfältigen Filteranwendungen, die Desinfektion und die vorteilhafte Modifizierung enzym- und ganzzellbasierter Syntheseprozesse für Feinchemikalien, Pharmaka oder Nahrungsergänzungsstoffe.

Material- und Prozessentwicklung sollen von Beginn an auf eine marktrelevante Verwertung hin ausgerichtet und diese konsequent verfolgt werden. Mit dem Vorhaben soll ein Innovationslabor begründet werden, das eine langfristige Zusammenarbeit mit interessierten Unternehmen anstrebt.  

Die thematischen Schwerpunkte

Das Innovationslabor wird aus drei Arbeitsbereichen bestehen, in denen im Einzelnen folgende Teilprojekte bearbeitet werden:

Im Bereich „Innovative pyroelektrische Werkstoffe“ ist schwerpunktmäßig die Ausarbeitung der gemeinsamen Werkstoffpalette für die gesamte Technologieplattform des Innovationslabors vorgesehen. Er wird somit überwiegend über die beiden weiteren Bereiche marktwirksam werden.

Im Bereich „Pyroelektrika-basierte Behandlung von Luft und Wasser, eisabweisende Beschichtungen“ soll ein Einstieg in den sich rasch weiterentwickelnden Markt physikalisch-basierter Umwelttechnologien verwirklicht werden. Ein wissenschaftlicher Ansatz besteht hierbei im Abtöten von Mikroorganismen durch elektrische Felder, die – durch Pyroelektrika räumlich optimal lokalisiert – mit einer hohen energetischen Effizienz erzeugt werden können. Der Fokus liegt auf der Ausarbeitung verwertungsrelevanter Konzepte zur Desinfektion von Wasser, Abwasser und Raumluft sowie auf der Entwicklung schaltbarer biozider Beschichtungen. Einen zweiten Schwerpunkt in diesem Bereich bildet die Entwicklung eisabweisender und gefrierpunktsenkender Beschichtung durch Sol-Gel-Technologie unter Einsatz elektrisch-polarer Kristalle.

Im Bereich „Pyroelektrika-unterstützte Biokatalyse“ soll die Wirkung elektrischer Felder um Pyroelektrika für die Stimulation von biologischen Stoffwechselprozessen in vivo und in vitro genutzt werden. Insbesondere wird hier die Entwicklung biotechnologischer Verfahren zur Gewinnung zellulärer Produkte durch Permeabilisierung und Elektrostimulation von Mikroorganismen und zur Optimierung der enzymatischen Katalyse durch Regeneration von Cofaktoren angestrebt.

Die Partner

  • Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien, Dresden
  • GMBU e.V., Arbeitsgruppe Funktionelle Schichten, Dresden
  • UMEX GmbH, Dresden
  • SAP Stiftungslehrstuhl für Entrepreneurship und Innovation, TU Dresden (Prof. Dr. Michael Schefczyk und Dr. Frank Pankotsch)
  • Gründungsinitiative Dresden exists (Dipl.-Wirtsch.-Ing. Robert Schmid)

Kontakt

Juniorprofessor Dr. rer. nat. Dirk C. Meyer (Sprecher des Bündnisses)
Technische Universität Dresden
Institut für Strukturphysik
Zellescher Weg 16
01062 Dresden
Tel.: 0351 / 463-32536
Fax : 0351 / 463-37048
E-Mail: dirk.meyer[at]physik.tu-dresden.de
Internet: http://www.biomint.tu-dresden.de