Zoologen aus Deutschland und Chemiker aus Dänemark haben im Hüft-Tibia-Gelenk des Schwarzkäfers ein Gleitmittel auf Proteinbasis entdeckt. Wissenschaftler haben das Schmiermittel chemisch analysiert und auch genau herausgefunden, wie es Insektengelenke vor Verschleiß schützt. Die sezernierte Substanz kann zu einem vielversprechenden Gleitmittel für den Einsatz in der Mikrorobotik und zur Herstellung von Prothesen werden, wenn ein wirtschaftliches Verfahren zu ihrer Herstellung erfunden wird. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences veröffentlicht.
Bei Menschen und anderen Wirbeltieren sind die Gelenke in einem mit Gelenkflüssigkeit gefüllten Hohlraum eingeschlossen, der die Reibung verringert und die Knochenoberflächen an den Stellen, an denen sie aufeinandertreffen, vor Verschleiß schützt. Insektengelenke wiederum werden nicht gekapselt, sondern freigelegt. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Oberfläche der Kontaktflächen im Insektengelenk mit Porenkanälchen bedeckt ist, die von Epithelzellen sezerniertes Sekret transportieren. Der Mechanismus zur Verringerung der Reibung in den Gelenken von Insektengliedmaßen blieb jedoch bisher unklar.
Forscher um Konstantin Nadein von der Christian-Albrecht-Universität Keele haben nun herausgefunden, dass Poren auf der Gelenkoberfläche von Zophobas-morio-Käfern (Dunkelkäfer) Schmiermittel in zylindrischen Fragmenten absondern. Die Autoren des Artikels untersuchten die Zusammensetzung des Schmiermittels und den Mechanismus, mit dem es die Reibung der Gelenkflächen von Insekten verringert.
Mit einem Rasterelektronenmikroskop nahmen die Forscher Bilder vom Kniegelenk des Käfers Zophobas Morio auf. Sie fanden heraus, dass die Kontaktflächen der femoralen und tibialen Teile des Gelenks mit mehreren Löchern von etwa einem Mikrometer Durchmesser bedeckt waren. Der Abstand zwischen ihnen beträgt im Durchschnitt das Drei- bis Vierfache des Porendurchmessers. Die Forscher sahen, wie aus diesen Poren eine wachsartige Substanz in Form von zylindrischen Bruchstücken freigesetzt wird, die durch dünne Fäden verbunden sind. Die Länge der fadenförmigen Ströme variiert zwischen einem und mehreren zehn Mikrometern. Die Filamente können in Stücke unterschiedlicher Länge brechen oder intakt bleiben und sich zu Klumpen von mehr als zweihundert Mikrometern Länge und Dutzenden von Mikrometern Dicke zusammenballen.
REM-Aufnahmen der Poren und Schmiersekrete des Femur-Tibia-Gelenks des Käfers Zophobas morio
Forscher haben herausgefunden, dass sich das Gleitmittel aufgrund der Bewegung des Schienbeins relativ zum Oberschenkelknochen in den Gelenken ausbreitet und dabei in kleine Fragmente zerbricht. Leicht plastisch verformbar passt sich der Schmierstoff verschiedenen Belastungen an. Wenn das Insekt eine leichte Belastung erfährt, verhält sich das Geheimnis wie ein Trockenschmiermittel, und die zylindrischen Bruchstücke verformen sich praktisch nicht, und bei hoher Belastung werden die Schmiermittelstücke dünner und verteilen sich wie eine viskose Flüssigkeit über die Gelenkoberfläche.
Die Forscher untersuchten auch die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Schmiersekrete des Käfers. Das Fett löste sich (bei Raumtemperatur) nicht in destilliertem Wasser und war auch in Salzsäure und Chloroform schlecht löslich. Die Substanz war jedoch in Ethylalkohol (99,8 %) und in 10 % Alkali gut löslich. Der Schmelzpunkt des Fettes erreichte über 100 Grad Celsius. Mittels Infrarotspektroskopie haben Wissenschaftler festgestellt, dass das Schmiermittel überwiegend aus Proteinen besteht, es dürfte auch Fettsäuren oder Lipide enthalten, allerdings in geringen Mengen.
Um die Schmiereigenschaften des Sekrets zu bewerten, platzierten die Forscher Käferfett zwischen Glasplatten und entschieden sich, es mit Teflon (Festschmierstoff) und Vakuum (viskosem) Schmierstoff zu vergleichen. Die Glasplatten wurden mit einer Geschwindigkeit von 78 Mikrometer pro Sekunde mit einer Last von 53, 33–766, 67 Kilopascal (vor und zurück) gerieben. Der Gleitreibungskoeffizient der mit Insektensekreten bestrichenen Gläser (µ = 0,13) erwies sich als vergleichbar mit dem für Teflon erhaltenen Wert (µ = 0,14). Der Reibungskoeffizient bei Vakuumschmierung war deutlich höher (µ = 1, 13).
Insekten sind traditionelle Objekte der biomimetischen Forschung. Im vergangenen Monat untersuchten chinesische Ingenieure die Rolle von Haaren auf der Oberfläche eines Bienenbauchs - es stellte sich heraus, dass sie den Kontakt zwischen den Bauchplatten und damit die Reibung zwischen ihnen verringern. Dadurch können die Bienen teleskopische Bauchbewegungen ausführen, wodurch 40 Prozent Reibungsenergie eingespart werden. Solche Beschichtungen helfen bei der Entwicklung von Materialien, bei deren Betrieb Trockenreibung nicht vermieden werden kann (zB in Vakuumanlagen).
