Deel dit artikel

in de natuur zijn talrijke composieten aanwezig waarbij anorganische en organische materialen op ingenieuze wijze met elkaar zijn vermengd. wetenschappers inspireren zich nu op die unieke combinaties uit de natuur om nieuwe hybride nanomaterialen te bedenken en die ook effectief in te zetten in tal van toepassingsgebieden. multifunctionaliteit staat hierbij centraal. De resultaten van dergelijke bio-inorganic nanohybrids zijn vaak heel verrassend.

Nanomaterialen: de natuur als inspiratie

Bert Weckhuysen

Parelmoer kun je vinden aan de binnenzijde van bepaalde schelpen. Het geeft onder meer sterkte aan een mosselschelp. Minder bekend wellicht is dat parelmoer een natuurlijk composietmateriaal is, opgebouwd uit anorganisch en organisch materiaal. Het anorganische materiaal bestaat uit calciumcarbonaatplaatjes (CaCO3) van tien tot twintig micrometer wijd en een halve micrometer dik (één micrometer is een miljoenste van een meter). Die stijve calciumcarbonaatplaatjes zijn geplaatst in ononderbroken lagen die van elkaar gescheiden worden door een organische stof, die zelf bestaat uit flexibele biopolymeren, zoals zijdeachtige eiwitten of proteïnen. Met ‘organisch’ bedoelen we dat het materiaal opgebouwd is uit koolstof, zuurstof, stikstof, waterstof en eventueel zwavel. Die zich herhalende metsel- of sandwichstructuur van plaatjes en proteïnen geeft aan parelmoer niet alleen zijn sterkte, maar ook zijn typische verschijningsvorm. De dikte van de calciumcarbonaatplaatjes is immers van dezelfde grootteorde als de golflengte van zichtbaar licht. Hierdoor zullen de kleur en glans veranderen afhankelijk vanuit welke hoek je naar het parelmoermateriaal kijkt.

Dit type van metselstructuur komt veelvuldig voor in de natuur en vormt onder andere de basis van het botweefsel van dier en mens. Hier gaat het meer specifiek om het anorganische calciumhydroxyapatiet (Ca10(PO4)6(OH)2), dat aanwezig is als ongeveer 70 procent van de hele beenderweefselmassa. Om zijn sterkte en flexibiliteit te bezitten vermengt het zich met een organische verbinding, collageen. Dit is een proteïne die kan worden omgezet in de welbekende gelatine voor het maken van gebak en taart bijvoorbeeld. Het woord ‘mengen’ doet bij dergelijke composietmaterialen eigenlijk afbreuk aan zowel de kracht als de verfijndheid die de natuur hiervoor heeft ontwikkeld. Er worden immers welbepaalde hybride structuren gevormd door chemische interacties tussen de individuele anorganische en organische componenten op microniveau. Meer specifiek zijn de collageenbundels en de calciumhydroxyapatietkristallen op zo’n manier met elkaar verstrengeld dat voor elk van de ongeveer tweehonderd verschillende beenweefsels in ons lichaam de oriëntatie van de hydroxyapatietkristallen geoptimaliseerd is. Zo worden de beste sterkte en de beste functionaliteit van het specifieke beenweefsel gegarandeerd.

Calciumcarbonaat en calciumhydroxyapatiet zijn hoogstwaarschijnlijk de meest voorkomende anorganische materialen in de natuur waarmee kleinere hoeveelheden organische stof zich hebben vermengd tot een composietmateriaal. Dit wil niet zeggen dat er geen andere materialen voor in aanmerking komen, zoals bijvoorbeeld silica (SiO2) en ijzeroxide (Fe2O3). Het omgekeerde kan ook: organische biopolymeren waarmee kleinere hoeveelheden anorganische stoffen zich combineren tot een hybride structuur. Een voorbeeld hiervan is de aanwezigheid van kleine hoeveelheden zink, koper en calcium in de kaken, angels en scharen van geleedpotigen, zoals insecten, kreeftachtigen en spinnen. De basis van dit alles vormt het biopolymeer chitine, dat moleculair erg gelijkt op het meer bekende polysaccharide cellulose. Metaalionen zoals koper zijn nu op een ingenieuze manier verstrengeld met delen van dit biopolymeer, waardoor die veel sterker worden. Kreeftenliefhebbers weten dat de scharen erg hard zijn en dat je een tang nodig hebt om al het lekkers te kunnen opeten. Kleine metaalionen in het chitine houden als het ware een metalen tangetje in bedwang.

Organische en anorganische materialen worden op een intelligente manier gecombineerd zodat hiërarchisch gestructureerde nanomaterialen ontstaan

‘Organisch’ versus ‘anorganisch’ betekent vaak zacht versus hard, flexibel versus stijf, en labiel versus stabiel. Het zijn die unieke combinaties van ogenschijnlijk tegengestelde werelden die wetenschappers inspireren om niet alleen nieuwe hybride materialen te bedenken, maar ze ook daadwerkelijk te maken en voor heel wat verschillende toepassingen te gebruiken. Voorbeelden hiervan zijn terug te vinden in de geneeskunde, zoals weefsel- en botimplantaten, maar ook het gecontroleerd inbrengen van medicijnen en genetisch materiaal. Daarnaast kunnen die materialen worden ingezet als sensor, groene bioplastic en katalysatormateriaal. Belangrijk is dat men niet simpelweg organische en anorganische materialen met elkaar gaat mengen tot een soort ratatouille, maar dat men ze op een intelligente manier met elkaar combineert zodat hiërarchisch gestructureerde nanomaterialen ontstaan. De hogere microstructuur is dus in feite terug te brengen tot interacties op de nanoschaal. Ter herinnering, een nanometer is één miljardste van een meter. De afmetingen waarover we praten, zijn dus minuscuul klein en het ontrafelen van die interacties op nanometerschaal is verre van triviaal.

Dit geordend op elkaar stapelen van chemische legoblokken op de nanometerschaal heeft recent geleid tot de ontwikkeling van een nieuwe tak binnen de wetenschap, die zich beweegt op het grensvlak van de levenswetenschappen, materialenleer en nanotechnologie. Multifunctionaliteit en de wens om synergieën te creëren op basis van de individuele eigenschappen van die ‘organische’ en ‘anorganische’ legoblokken zijn hierbij het leidmotief. De nanomaterialen met de natuur als inspiratiebron hebben ook een naam: bio-inorganic nanohybrids, een hele mond vol buzzwords. Het is een nieuw wetenschapsgebied, dat echter veel verwantschap vertoont met reeds bestaande disciplines zoals biomineralisatie en biomimetica, waar het onderscheid niet altijd duidelijk is. De meest recente ontwikkelingen in dit onderzoeksgebied zijn samengevat in vijftien deels overlappende hoofdstukken van het boek Bio-inorganic Hybrid Nanomaterials: Strategies, Synthesis, Characterization and Application onder de redactie van de wetenschappers Eduardo Ruiz-Hitzky, Katsuhiko Ariga en Yuri Lvov.

Om nieuwe bio-inorganic nanohybrids met interessante functionele eigenschappen te maken is het noodzakelijk om een fundamenteel inzicht te hebben in al de mogelijke chemische interacties tussen de ‘organische’ en ‘anorganische’ componenten van een potentieel composietmateriaal. Dit blijkt allesbehalve triviaal en een grondige studie van de in de natuur aanwezige biopolymeren kan hierbij een uitweg bieden. Daarom gebeurt er heel wat wetenschappelijk onderzoek op die natuurlijke materialen, vaak met geavanceerde spectroscopische en microscopische karakteriseringstechnieken. De onderzoeksvragen hierbij zijn: waaruit bestaan precies de organisch-anorganische interacties op moleculair niveau? Welke parameters beïnvloeden die moleculaire interacties? Hoe kunnen we die interacties nabootsen? Wat zijn de benodigde synthesemethodes om dit alles te realiseren?

Een voorbeeld van een dergelijke benaderingswijze is zeer recent gepubliceerd in Science. Een consortium van Duitse onderzoeksgroepen is erin geslaagd de sterkte van spinnenwebdraden – die al heel groot is – nog te verhogen. Dit is op zich uniek omdat een spin op een ingenieuze wijze draden kan maken op kamertemperatuur die even sterk zijn als industrieel gemaakte nylondraden. De inspiratie voor het Duitse onderzoek kwam uit de natuur. Zoals eerder aangehaald verhogen heel wat organismen, zoals wormen, insecten, kreeften en krabben, de mechanische sterkte van hun mond en kaken door in de structuur metaalionen zoals zink, calcium en koper in te bouwen. Door nu de spinnendraden te behandelen met zink-, titaan- of aluminiumionen bleek het mogelijk om de treksterkte van spinnendraden substantieel te verhogen. Hierbij werd gebruikgemaakt van een multiple pulsed vapor-phase infiltratieproces, waarbij tot diep in de vezel metaalionen kunnen doordringen en reageren met het biopolymeer. Alhoewel de driedimensionale structuur van spinnendraden op moleculair niveau nog niet helemaal duidelijk is, blijkt dat ze opgebouwd zijn uit twee hoofdcomponenten: een kristallijngedeelte dat bestaat uit een waterafstotend polymeer van aminozuren, meer specifiek polyalanine, en een meer amorf en waterminnend gedeelte dat bestaat uit andere aminozuren. Hierbij worden er heel wat waterstofbruggen gevormd. De aanwezigheid van die waterstofbruggen blijkt echter cruciaal in het omvormingsproces tot de superspiderdraden. Meer specifiek bleek dat de zwakkere waterstofbruggen moesten worden omgezet naar nieuwe, maar sterkere metaal-eiwitcomplexen. Wanneer dit min of meer homogeen gebeurt over de gehele spinnendraad, leidt dit tot een grote verhoging van de trekspanning.

Door spinnendraden te behandelen met zink-, titaan- of aluminiumionen bleek het mogelijk om hun treksterkte substantieel te verhogen

Het mag duidelijk zijn dat die synthesestrategie afkomstig uit de natuur niet alleen nuttig is voor het sterker maken van spinnengaren, maar ook voor het maken van andere meer functionele polymeermaterialen. Door anorganische stoffen te combineren met een combinatie van polysacchariden, zoals zetmeel en cellulose, of eventueel restafval afkomstig uit toekomstige bioraffinaderijen (bijvoorbeeld het moeilijk omzetbare houtachtige polymeer lignine) wordt het mogelijk om nieuwe groene en duurzame nanocomposites en bioplastics te maken. Hun handelsmerken zijn biocompatibiliteit en biodegradeerbaarheid. Mede hierdoor is de toepassingsmarkt duidelijk aan het groeien. Autofabrikanten bereiden zich bijvoorbeeld nu al voor op wetgevende maatregelen waarbij een groot gedeelte van de auto volledig hernieuwbaar moet zijn. Een andere toepassing voor die bioplastics kan men vinden in het verpakken van voedsel en botimplantaten.

Een ander belangrijk toepassinggebied van bio-inorganic nanohybrids is de farmacie. Hierbij is de idee om met behulp van een geschikt anorganisch dragermateriaal medicijnen en genetisch materiaal specifiek te transporteren in ziek cel- en weefselmateriaal. Een mooi voorbeeld van een dergelijk dragermateriaal zijn de zogenaamde LDHs of layered double hydroxides. Die anorganische materialen bestaan uit laagjes (brucietmateriaal) van minder dan één nanometer dik, die keurig boven elkaar gestapeld zijn zodat kristallen gevormd worden. De laagjes van dit kristal hebben een positieve lading. Die lading wordt normaliter gecompenseerd door eenvoudige negatieve ionen, zoals hydroxide, carbonaat, nitraat en sulfaat. In de tussenliggende ruimte is er evenwel plaats om biomoleculen te immobiliseren. Dit kan gebeuren door ionenuitwisseling van de eenvoudige negatieve ionen door andere evenwel grotere en meer complexe negatief geladen moleculen. Het gaat dan om geneesmiddelen en/of stukjes genetisch materiaal, zoals DNA en RNA of fragmenten ervan.

Belangrijk hierbij is dat de LDH-kristallen doorheen de celwand gaan en niet direct worden afgevoerd uit het lichaam. Daarom moet men de grootte van de LDH-kristallen controleren. Het blijkt dat de beste grootte gelegen is tussen vijftig tot vijfhonderd nanometer. De geneesmiddelen en/of stukjes genetisch materiaal worden door hun relatief sterke interactie met het dragermateriaal traag afgegeven aan het celmilieu. Dit garandeert een langduriger effect van de stof in het cel- en weefselmateriaal. Een andere synthesemethode van de LDH-geneesmiddel nanohybrids kan bestaan uit het samen neerslaan van het geneesmiddel en de LDH-kristallen uit een oplossing. Het is echter te verwachten dat de afgave van het geneesmiddel aan het celmilieu hier minder gecontroleerd zal gebeuren.

Systematische studies hebben aangetoond dat het mogelijk is om de groei van kankercellen te onderdrukken door het gericht doseren van met genetisch materiaal beladen LDH-kristallen. De bereikte onderdrukking van de kankercelgroei was duidelijk sterker dan bij het direct doseren van het genetisch materiaal in afwezigheid van de LDH-kristallen. Op analoge manier heeft men een antikankergeneesmiddel toegevoegd in de aan- en afwezigheid van LDH-kristallen. Het bleek dat toevoeging van de medicijn-LDH-kristalcombinatie een zeer sterke verhoging had van de onderdrukking van de kankercelgroei. Die sterke onderdrukking wordt toegeschreven aan een verhoogde opname van het medicijn door de kankercellen en dus aan een hogere intracellulaire concentratie van het kankermedicijn. Dit is erg belangrijk omdat hierdoor het doseren zeer efficiënt wordt en negatieve bijwerkingen tot een minimum worden beperkt. Een verklaring voor die verhoogde intracellulaire concentratie van het kankermedicijn kan worden gevonden in het optreden van een ander transportproces in het lichaam. Meer specifiek heeft het kankermedicijn LDH-complex een positieve lading en zal hierdoor sterker interageren met het celmembraan. Het medicijn wordt als het ware door een soort paard van Troje of nanocontainer, het LDH-kristal, actief binnenin de cel gebracht. Dergelijke positieve werking is niet beperkt tot LDH-kristallen. Ook andere anorganische dragers blijken geschikt te zijn als nanocontainers, zoals halloysiet, een buisvorming aluminosilicaatmineraal.

Het medicijn wordt als het ware door een soort paard van Troje of nanocontainer, het LDH-kristal, actief binnenin de cel gebracht

Niet alleen medicijnen en genetisch materiaal kunnen op die manier gecontroleerd worden gedoseerd aan cel- en weefselmateriaal. Een andere toepassing van bijvoorbeeld halloysiet is het gecontroleerd doseren van fungiciden en herbiciden door het vermengen met verfpigmenten. Tot slot is het belangrijk om te vermelden dat het geïmmobiliseerde biopolymeer zelf een actieve functie kan hebben, terwijl het op het anorganische dragermateriaal vastzit. Dit is het geval voor enzymen en de combinatie enzyme-anorganisch dragermateriaal wordt dan ook vaak gezien als een smart material. Hiermee wordt bedoeld dat de bio-inorganic nanohybrids een functionaliteit bezitten waarbij er een actieve interactie is met het medium waar ze worden ingebracht. Enzyme-gebaseerde nanohybrids of functionele bionanocomposietmaterialen kunnen specifieke moleculen herkennen, ermee reageren en hierdoor iets vertellen wat er in het medium aanwezig is. Mogelijke toepassingen zijn dan ook legio, met sensoren voor bijvoorbeeld de voedingsindustrie en afvalwaterzuivering, toepassingen in de biokatalyse en bij medische implantaten. De rol van het anorganische dragermateriaal is hierbij voornamelijk het beschermen van het enzym tegen ongunstige invloeden van buitenaf, zodat het optimaal kan functioneren.

Een voorbeeld van een sensormateriaal op basis van een biopolymeer en een anorganisch dragermateriaal is het chitosan-montmorilloniet-systeem. Dit maakt het bijvoorbeeld mogelijk om de concentratie aan ionen in een waterig milieu potentiometrisch te bepalen. Potentiometrie is een onderdeel van de elektrochemie, waarbij een elektrisch contact plaatsvindt tussen een analiet (dat wat je wil meten/detecteren) en een elektrode. De potentiaal die gevormd wordt op het elektrodeoppervlak meet men en geeft de potentiometrische bepaling. Montmorilloniet is een natuurlijk voorkomend kleimineraal, dat zoals LDH-kristallen opgebouwd is uit plaatjes die mooi boven elkaar geplaatst zijn. De plaatjes zijn echter negatief geladen en tussen de plaatjes plaatst men chitosan, dat gemaakt wordt uit het hogervermelde biopolymeer chitine, dat de basis vormt van onder andere de scharen van kreeftachtigen.

Een meer tot de verbeelding sprekend sensormateriaal werd recent gerapporteerd door een Spaanse onderzoeksgroep. Die onderzoekers maakten gebruik van karamel. De karamel werd hierbij tussen de kleiplaatjes aangebracht door het kleimineraal te bevochtigen met een waterige suikeroplossing. Na verhitting van het mengsel ontstaat een karamelachtige laag die zorgt voor de elektrische geleiding. Door nu op een bepaalde manier moleculen, meer specifiek (3-aminopropyl)trimethoxysilaan) (APS), te verankeren aan het karamel-kleimineraalcomposiet ontstaat een sensormateriaal dat sulfaat, nitraat en chloride in oplossing kan meten. Door een ander type molecule te verankeren in het karamel-kleimineraal is het zelfs mogelijk om zware metaalionen in een waterig midden te gaan bepalen.

Samengevat, bio-inorganic nanohybrids die ontstaan uit een intelligente combinatie van organische biopolymeren en anorganische functionele materialen hebben heel wat verrassende toepassingsmogelijkheden.

Eduardo Ruiz-Hitzky, Katsuhiko Ariga en Yuri Lvov, Bio-inorganic hybrid nanomaterials: Strategies, syntheses, characterization and application (Weinheim: Wiley-VCH, 2008).

S.M. Lee, E. Pippel, U. Gosele, C. Dresbach, Y. Qin, C.V. Chandran, T. Brauniger, G. Hause, M. Knez, ‘Greatly increased toughness of infiltrated spider silk’, in: Science, 324, 488, 2009.

Bert Weckhuysen is als catalyticus verbonden aan de Universiteit Utrecht.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen