Biokunststoffe für die Gesundheitsbranche

Dr. rer. nat. med. habil. Eva Gottfried

22.05.2026

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Die Verwendung biobasierter statt erdölbasierter Rohstoffe ermöglicht Materialien, die nicht nur nachhaltig sind und die Kreislaufwirtschaft im Gesundheitssystem unterstützen, sondern auch günstige Eigenschaften wie Permeabilität, Resorbierbarkeit und Verträglichkeit zeigen.

Naturwerkstoffe waren über Jahrtausende hinweg die wichtigsten Materialien der Menschen. Holz diente zum Haus- und Schiffsbau, Flachs und Hanffasern wurden zu Textilien, Seilen und Segel verarbeitet. Die Liste der genutzten Naturstoffe ist lang, doch durch den Aufstieg von Kunststoffen aus Erdöl gerieten die Naturwerkstoffe immer mehr in Vergessenheit [1].

Tatsächlich waren aber die ersten Kunststoffe das, was wir heute als biobasiert bezeichnen würden. 1900 gab verschütteter Wein auf einer Tischdecke den Anstoß für die Erfindung von Cellophan. So erhielt der Chemiker Jacques Edwin Brandenberger (1872-1954) schon 1937 die Elliott-Cresson-Medaille für ein Material, das auf Basis von Cellulose aus Holz hergestellt war. Heute wird mit dem Begriff Cellophan eine Frischhaltefolie bezeichnet, die seit den 1960ern aus erdölbasiertem Polyvinylchlorid (PVC) und seit den 1980ern aus Polypropylen (PP) hergestellt wurde [2].

Neben Cellophan wurde Ende des 19. Jahrhunderts bis in die 1930er Jahre hinein das Milchprotein Casein zur Synthese von Galalith genutzt. Dieser landläufig auch Kunsthorn, Milchstein oder Erinoid genannte Casein-Formaldehyd-Kunststoff (CSF) wurde über mehrere Schritte synthetisiert, von alkalischer Extraktion des Proteins aus der Milch bis hin zur Härtung durch Formaldehyd. Galalith wurde in Form von Knöpfen und Schmuck, Besteckgriffen bis hin zu Isolationsmaterial für elektrische Anlagen genutzt [3]. Auch in der Autoindustrie gab es schon früh biobasierte Ansätze. So hantierte Henry Ford Anfang des 20. Jahrhunderts mit Sojaöl und Weizen, um Lacke und Gummiersatz zu entwickeln und präsentierte schließlich 1941 ein Fahrzeug mit einer Karosserie überwiegend aus harzgebundenen Hanffasern [1, 3].

Erdölboom vertreibt erste Biokunststoffe

Im Zuge des Erdölfiebers wurde die Produktion von naturstoffbasierten Materialien erst einmal eingestellt und auf Produktion von Kunststoffen auf Erdölbasis umgestellt [3]. Schon Anfang des 20. Jahrhunderts war Bakelit vom belgischen Chemiker Leo Hendrik Baekeland entwickelt und auf den Markt gebracht worden (1907). Dieser vollsynthetisch, industriell produzierte duroplastische Phenoplast-Kunststoff wurde mithilfe von Phenol und Formaldehyd hergestellt. Später kamen weitere Kunststoffvarianten hinzu, wie Aminoplaste, Epoxidharze und Polyesterharze [3].

Kunststoffe jeglicher Art sind primär einmal organische Kohlenwasserstoff-Polymere, deren Ausgangsstoffe durch fraktionierte Destillation von Öl gewonnen werden. Auf der Verflechtung der langkettigen, teils auch verzweigten Makromoleküle basieren die beliebten Eigenschaften des stabilen, aber doch künstlich verformbaren Materials. Neben Festigkeit und Biegsamkeit sind eine gewisse Thermostabilität sowie Transparenz und Einfärbbarkeit relevante Parameter. Auch der Gesundheitssektor setzt in hohem Maße auf Kunststoffe, insbesondere Einwegkunststoffe, deren Vielseitigkeit, gute Sterilisierbarkeit und nicht zuletzt kostengünstige Massenproduktion sowie Wirtschaftlichkeit zu ihrem Durchbruch verhalfen. So wurden im Laufe der Zeit immer mehr medizinische Instrumente aus Stahl, Keramik oder Glas durch klassische Kunststoffe ersetzt [3, 4].

Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff

Kunststoffe unterscheidet man im Wesentlichen in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Thermoplastische Kunststoffe bestehen aus linearen oder wenig verzweigten Molekülen und sind unter Wärme beliebig oft plastisch verformbar, was auch für ein stoffliches Recycling vorteilhaft ist. Zu den Thermoplasten zählen u.a. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyvinylchlorid (PVC), die insgesamt 80% des auf fossilem Öl basierten Kunststoffmarktes ausmachen. Die Herstellung der Produkte erfolgt durch Spritzgussverfahren, Extrusion oder thermoplastisches Formpressen. Duroplastische Kunststoffe dagegen sind nach dem Aushärten nicht mehr verformbar; zu ihnen zählen Polyester (PE), Epoxidharze und Formaldehydharze. Elastomere wiederum sind auch ohne Temperaturänderung durch Zug oder Druck elastisch verformbar und kehren beim Nachlassen in ihre Ausgangsform zurück; Beispiel sind Polyvinylbutyral (PVB) und Butylkautschuk (IIR) [3].

Im Zuge der Diskussionen um Müllberge und Klimaveränderungen kamen Ende der 1980er Jahre die ersten modernen biologisch abbaubaren Kunststoffe auf. Der Begriff „Biokunststoff“ bezog sich damals weniger auf das Ausgangsmaterial nachwachsender Rohstoffe, sondern mehr auf die Möglichkeit zur biologischen Abbaubarkeit. Seit der Jahrtausendwende werden mit Blick auf Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft (circular economy) verstärkt Themen diskutiert wie industrielle Kompostierung (> 55 °C bei kontrollierter Feuchte), anaerobe Vergärung (Fermentation), Biogasgewinnung und Abbaubarkeit im marinen Bereich [3, 4].

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Klassifizierung und Zertifizierung sollen Ordnung schaffen

Aus heutiger Sicht ist „biologisch abbaubar“ kein zwingendes Kriterium für einen Biokunststoff mehr. So werden Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen von jenen aus petrochemischen Rohstoffen unterschieden, die jeweils wieder in biologisch abbaubar und nicht biologisch abbaubar eingeteilt werden. Eigenschaften und Benennungen der unterschiedlichen Materialien sind für den Laien schwer überschaubar; im professionellen Bereich sollen EU-Regulierungen und Zertifizierung einen gewissen Rahmen schaffen [3].

Biogene bzw. biobasierte Kunststoff bestehen ganz oder teilweise aus Biomasse, wie nachwachsende Rohstoffe (NawaRo) und biogene Reststoffe. NawaRo wiederum sind definiert als organische Rohstoffe, die aus land-, forst- oder marine-wirtschaftlicher Produktion stammen und (auch) außerhalb des Nahrungs- oder Futtermittelbereiches genutzt werden können [3]. Um Bioverbundwerkstoffe wiederum handelt es sich, wenn zumindest eine der beiden Hauptkomponenten (Matrix oder Fasern) Basis von Biomasse hergestellt ist. So bestehen Holz-Polymer-Werkstoffe (Wood-Plastic Composites, WPC) aus unterschiedlichen Anteilen von Holzmehl oder Holzfasern, Kunststoffen und Additiven. Je nach Produkt und geforderten Materialeigenschaften kann der Zellulose (Lignin)-Anteil aus dem Holz im WPC 20 - 80% betragen [1].

Für die Zertifizierung als Biokunststoff ist besonders der biogene Anteil im Produkt von Bedeutung. Zertifizierungsprogramme beziehen sich entweder auf die Anteile von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Material oder nur speziell auf den Kohlenstoffanteil in Prozent Stoffanteil (DIN CERTO, OK-biobased Logo/TÜV Austria) [3]. Der Nachweis von Kohlenstoff kann mittels Radiocarbonmethode anhand des radioaktiven Kohlenstoffisotops ¹⁴C (Radiokarbon) erfolgen, das laufend in der Erdatmosphäre gebildet wird und als ¹⁴CO₂ über die Photosynthese von Pflanzen und photosynthetisch aktiven Mikroorganismen eingebaut wird. ¹⁴C besitzt eine Halbwertszeit von etwa 5.000 Jahren, weshalb es in frischer Biomasse, nicht aber in fossilen Kohlenstoffquellen wie Erdöl in nachweisbaren Mengen vorkommt [3].

Biokunststoffe im Gesundheitssektor

Die Gesundheitsbranche mit ihrem hohen Bedarf an Einmalartikeln stellt die Müll- und Recyclingbranche vor große Herausforderungen. Angesichts der biologischen Abbaubarkeit sind verschiedene Arten von Biopolymeren auch hier in den Blick geraten. Neben der Abbaubarkeit sind weitere Eigenschaften gefragt, wie Dehn- und Biegsamkeit bei mechanischer Beanspruchung, thermische Eigenschaften mit Blick auf Sterilisation, Barriereeigenschaften für Flüssigkeits- und Gasdurchtritt, Transparenz und Resorbierbarkeit frei von toxischen Komponenten [3, 4].

Zum einen sind stärke- und cellulosebasierte Biopolymere, zum anderen Biokunststoffe im Fokus; Copolymere und Blends führen zu immer anwendungsspezifischeren Materialen [4, 6].

Von Stärke und Cellulose bis PLA und PHA

Stärke und Cellulose basieren auf Glucose-Monomeren, sind damit weniger vernetzt und haben höhere Feuchtigkeits- und Sauerstoffpermeabilität als andere Biokunststoffe. Sie sind bioabbaubar, tragen aufgrund ihrer hohen Feuchtigkeitsempfindlichkeit aber auch das Risiko mikrobieller Kontamination. Zur Stärkung von hydrophoben und thermischen Eigenschaften werden Stärke und Cellulose häufig in Form sogenannter Blends eingesetzt. Stärkeblends sind Mischungen aus thermoplastischer Stärke (TPS) mit Kunststoffen, die wiederum auf Erdöl oder biogenbasiert sein können. Die Materialen sind häufiger im Verpackungsbereich zu finden [4].

Etwa 40% aller Biokunststoffe im Gesundheitsbereich basieren auf Polymilchsäure (PLA, poly lactic acid), deren Ausgangsmolekül Milchsäure chemisch oder biotechnologisch durch Fermentation aus Maisstärke oder landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen werden kann. Durch Polymerisation generiertes PLA wird mit Verfahren wie Extrusion, Schmelzspinnen, Spritzguss oder Pressen in ein formstabiles und widerstandsfähiges Material u.a. für Einwegspritzen und Katheter verarbeitet [4, 6].

Polyhydroxyalkanoate (PHA) werden ebenfalls durch Fermentation aus Kohlehydraten und Fetten gewonnen; die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Materialien unterscheiden sich bei kurz-, mittel- und langkettigen Polymeren. Ein häufiger Vertreter der Gruppe ist Polyhydroxybutyrat (PHB, Poly[3HB]), das aufgrund seines hydrophilen Charakters besonders für resorbierbares Material geeignet ist [4].

Polyglykolsäure (PGA, Polyhydroxyessigsäure) wiederum kann durch Fermentation aus Sojabohnen gewonnen werden und ist gut resorbierbar [4]. PGA wird häufig mit PLA verblended, um Copolymere wie PGLA (poly [-lactic-co-glycolic) acid) mit spezifischen Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten zu erhalten. Solche Misch-Biopolymere können u.a. durch Auswahl geeigneter fermentierender Bakterienstämme und Substratverhältnisse produktspezifisch hergestellt werden [4].

So bieten eine ganze Reihe von Ausgangssubstanzen neue Rohstoff- und Materialmöglichkeiten für Anwendungen in der Medizin [3, 4, 6], darunter

• Einweg-Medizinprodukte (insbesondere PLA-basiert für Spritzen, Verpackungen, Kittel)

• Implantate und Nahtmaterial (PLA, PGA, PLGA für resorbierbares Nahtmaterial, Schrauben, Pins, Osteosyntheseplatten)

• Drug Delivery Systeme (PGLA als pharmazeutischer Hilfsstoff, PLGA Mikro- und Nanopartikel als Wirkstoffträger)

• Tissue Engineering (PHA-, PLA- und collagenbasierte Scaffolds zur Gewebezüchtung zum Knorpel-, Knochen-, Hautersatz)

• 3D-Druck (Implantate)

• Wundversorgung (cellulosebasierte Hydrogele und Filme, feuchtigkeitsregulierend; PHA, PHB)

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