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2. Alginat – Was ist das überhaupt?

Meeresalgen und Tang bilden die Basis von Alginat. Vermischt mit Wasser wird es zu einem elastischen Gel, mit dem extrem genau Abdrücke von allen erdenklichen Vorlagen gemacht werden können. Die große Detailtreue, die damit erreicht wird, wird in erster Linie in der Zahnmedizin genutzt: Der Hauptverwendungszweck von Alginat liegt in der Herstellung von Zahn- oder Kieferabformungen. Aber auch als Trennmittel wird Alginat verwendet. Als Lösung angewendet, verhindert es, dass sich bestimmte Substanzen verbinden. Alginat ist als natürliche Substanz gesundheitlich unbedenklich und kann deshalb besonders gut für Körperabformungen verwendet werden.

2.1 Rohstoffe aus dem Meer – die Grundlage für Alginatsäure

Alginat kommt in den Zellwänden der Braunalge vor. Dort sorgt die Substanz zum einen dafür, dass die Zellwände ihre Form behalten, zum anderen sichert es die so wichtige Elastizität der Zellwände. Der Anteil an Alginat kann dort bis zu 40% der Trockenmasse betragen. Dies ist sehr wichtig, um die großen mechanischen Kräfte auszuhalten, der die Algen durch Meeresströmungen und Stürme ausgesetzt sind. Andere Organismen, die Alginat bilden, sind zum Beispiel die Azotobacter-Bakterien, die eine bedeutende Rolle im Stickstoffkreislauf spielen.

Das Alginat, das für die Herstellung von Abformmasse gewonnen wird, stammt von einigen Arten der im Meer lebenden Braunalgen. Diese Algenart kommt in etwa 1.500 bis 2.000 verschiedenen Arten vor und werden in tropischen Gewässern noch bis in eine Tiefe von 200 Metern nachgewiesen, Hauptverbreitungsgebiet sind die Küsten in den gemäßigten Zonen. Je nach Art können die Algen eine Länge von bis zu 100 Metern erreichen und werden dann als Tang bezeichnet. In der Regel haften sie durch spezielle Organe an festen Unterlagen wie Muscheln oder Felsen an, teilweise treiben die Arten auch im Oberflächenwasser wärmerer Meer, wie zum Beispiel dem Sargassosee im Atlantik zwischen Florida und den Bermudainseln.

Die Braunalge kann auf verschiedene Arten geerntet werden. Zum Teil kommen dafür sogenannte Trawler zum Einsatz. Diese Schiffe sind speziell für den Einsatz von Schleppnetzen ausgestattet. Trawls heißen die Grundschleppnetze, mit denen eigentlich die Fische, die am Meeresgrund leben, gefangen werden. Ebenso wird für die Ernte der Braunalgen verfahren: Die Schleppnetze werden über den Meeresgrund über die Braunalgenfelder gezogen und die Algen werden mitgerissen. Immer noch gebräuchlich ist es auch, die Braunalgen vom Strand abzusammeln. Nach Stürmen, die sich auch unter Wasser ausgewirkt haben, sammeln sich die Algenpflanzen in großen Mengen am Strand und können bequem eingesammelt werden.

2.1.1 Braunalgen – hochentwickelte Unterwassergewächse

Die vielen verschiedenen Gattungen der Braunalgen wachsen zum Teil innerhalb der Küstengebiete. Die größeren Arten bilden ausgedehnte Algenfelder, die an flachen Küsten etwa fünf bis zehn Kilometer vom Ufer entfernt angesiedelt sind.

Ist das Wasser klar, können sich die Algenfelder bis zu einer Tiefe von 30 Metern ausbreiten.

Die Vegetationskörper der Braunalgen sind so weit entwickelt wie bei keiner weiteren Algenart. Große Tange wie zum Beispiel die Laminaria sind in Rhizoid (das Haftorgan), Cauloid (die Achse) und Phylloid (die blattartigen Algenteile) untergliedert. Zwischen der Achse und dem „Blatt“ befindet sich die meristematische Zone, das ist ein Bereich mit teilungsfähigen Zellen, der für das Nachwachsen der Alge zuständig ist. Wird Algenmaterial abgeerntet, kann dieses außergewöhnlich schnell nachwachsen, so dass immer ausreichende Mengen der Braunalge verfügbar sind.

Ihre charakteristische dunkelbraune bis olivgrüne Farbe erhalten die Braunalgen durch das Pigment Fucoxanthin, das nach einer Entdeckung japanischer Chemiker als Fatburner wirken soll. In Japan wird die Braunalge zur Zubereitung der traditionellen Misosuppe verwandt. Wer große Mengen dieser Suppe verzehrt, kommt allerdings kaum in den Fatburner-Effekt von Fucoxanthin. Dazu ist es erforderlich, den extrahierten Farbstoff zu konsumieren.

Macrocystis pyrifera	Ascophyllum nodosum
Laminaria hyperborea	Ecklonia-Spezies
Laminaria digitata	Lessonia-Spezies
Laminaria japonica	Durvillaea-Spezies

Alginat ist in allen Braunalgen enthalten. Für die Herstellung der Alginsäure werden allerdings nur großwüchsige Arten verwendet, die in der Regel in Kelp genannten Algenwäldern vorkommen und einen wichtigen Lebensraum für verschiedene Meerestiere darstellen.

 Die Laminaria, die in Nordostasien auch als Nahrungsmittel weit verbreitet ist, wird dort als Suppengrundlage, als süß-sauer eingelegter Snack oder auch als Grundlage von Tees verwendet.

 Der Riesentang Macrocystis gehört zu den am schnellsten wachsenden Pflanzen auf der Erde und kann pro Tag um bis zu 30 cm an Länge zulegen.

 Die Braunalge Ascophyllum, die auch als Knotentang bekannt ist, wächst an den Felsenküsten des Nordatlantiks in großen Mengen. Er ist besonders reich an Polysacchariden und wird sehr gerne für die Alginatgewinnung verwendet. Die Alge wird bei Ebbe von den Goémoniers, den Algenbauern geerntet und wächst 15 Jahre lang immer wieder nach.

 In der Antarktis wächst die Durvillea, eine Braunalge, die zu 48% aus Alginsäure besteht und als Heilpflanze benutzt wird. Der Alginanteil ist deshalb so hoch, weil die Alge einen großen Teil des Jahres unterhalb der Eiskappe überlebt. Der hohe Anteil an Polysacchariden sorgt für eine hohe Flexibilität der Zellwände und damit eine hohe Widerstandskraft gegen die Kälte.

2.1.2 Algengewinnung weltweit – Tendenz steigend

Weltweit werden mehr als 40.000 Tonnen Alginat pro Jahr gewonnen, die Tendenz ist steigend. Denn es werden immer mehr Anwendungsgebiete der Substanz in allen Lebensbereichen entdeckt. Hauptproduzenten sind die USA, Großbritannien, Norwegen, Kanada, Frankreich, Japan und China. Alginat kommt in den Produktionsländern selbst zum Einsatz, wird aber auch in andere Länder – unter anderem auch nach Deutschland – exportiert.

Braunalgen werden auf verschiedene Arten und wenn möglich maschinell und vollautomatisch geerntet. An der Pazifikküste Kaliforniens pflügen sogenannte „kelp harvester“ durchs Wasser, die ähnlich wie Mähmaschinen funktionieren. Sie schneiden die Algen ab und nehmen das Mähgut anschließend an Bord auf. Die Vorkommen von Braunalgen in Norwegen werden mit speziell ausgerüsteten Trawlern ebenfalls vollautomatisch geerntet. Die Algen werden in Wassertiefen von zwei bis fünfzehn Metern gekappt und aus dem Meer gesammelt. In der Bretagne verwenden die Algenfischer spezielle Boote, die mit einem sogenannten „scoubidou“, einem rotierenden Gestänge ausgerüstet sind. Wie in einem Quirl verwickeln sich die Algen und können dann über eine hydraulische Vorrichtung an Bord genommen werden. Die Algenvorkommen in Schottland und Irland dagegen sind so schwer zugänglich, dass sie nach wie vor halbmechanisch geerntet werden müssen. Braunalgen innerhalb der Gezeitenzonen dagegen werden bei Ebbe einfach abgeschnitten und eingesammelt. In Irland und Frankreich werden zusätzlich noch die Algen genutzt, die an den Stränden angeschwemmt werden. Ganze 9.500 Tonnen treiben die Frühjahrsstürme jährlich an den irischen Strand bei County Clare, in Frankreich landen an der Küste in der Bretagne jährlich immerhin noch fast 500 Tonnen der Braunalge Laminaria hyperborea.

Direkt nach der Ernte werden die Algen grob gesäubert und getrocknet und an die Alginathersteller weitergegeben. Um das Alginat, das später für die Abformung verwendet wird, zu gewinnen, wird ein Extraktionsverfahren angewandt. Dazu werden die Algen gewaschen und vermahlen. In verschiedenen Extraktions- und Filterprozessen wird aus dem Algenpulver das reine Alginat gewonnen.

2.2 Alginat – ein ganz besonderer Stoff

Struktur der Alginsäure

Betrachtet man Alginate mit den Augen eines Chemikers, dann haben sie den Charakter von Polysaccharid-Derivaten, also Mehrfachzuckern mit mehr als zwei Zuckermolekülen, allgemein bekannte Polysaccharide sind zum Beispiel Stärke oder Zellulose. Diese Mehrfachzucker bestehen aus Kohlenstoff und Wasser und gehören zur Gruppe der Kohlenhydrate. Als Derivat werden Stoffe bezeichnet, bei denen ein Wasserstoffatom gegen ein andere ausgetauscht wurde. In der Arzneimittelindustrie werden Derivate genutzt, um aus medizinisch wirksamen Stoffen, gleich oder noch besser wirksame Substanzen zu entwickeln, die aber eventuell weniger Nebenwirkungen aufzeigen. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Acetylsalicilsäure, die den medizinisch wirksamen Bestandteil von Aspirin darstellt. Sie ist ein Derivat der Salizylsäure, die weit weniger gut vertragen wird.

Alginate kommen in den Zellwänden der Braunalgen zusammen mit Zellulose vor. Während die Zellulose dafür sorgt, dass die Zellwände die nötige Festigkeit besitzen, bildet das Alginat zusammen mit Wasser eine schleimig-gallertige Masse in der Zellwand, in die die Cellulose-Bestandteile, die Fibrillen (langgestreckte Strukturen), eingebettet sind. Unlösliche Alginatgele verstärken die Zellwand zusätzlich und sorgen dafür, dass die Braunalge auch bei starker mechanischer Belastung, zum Beispiel durch die Meeresströmung, standhält.

2.2.1 Zusammensetzung und Abbindereaktion von Alginat

Alginate gehören zu den irreversibel (unumkehrbar) erhärtenden elastischen Abformmaterialien, das heißt einmal ausgehärtet, lässt sich die Abformung weder verändern, noch in einen verarbeitbaren Brei zurückverwandeln. Im Alginatpulver sind Natrium- und Kaliumsalze enthalten, die sich leicht in Wasser lösen. Ein weiterer Bestandteil ist Kalziumsulfat, um die Abbindereaktion zu verzögern wird Natriumphosphat hinzugegeben. Vermischt man das weiße Alginatpulver mit Wasser, dann binden sich die schwer löslichen Kalziumionen (aus dem Kalziumsulfat) mit den wasserlöslichen Makromolekülen des Alginats. Daraus entsteht Kalzium-Alginat, das in Wasser nicht löslich ist. Das sichtbare Ergebnis dieser chemischen Reaktion zwischen den Alginatsalzen und dem Kalziumsulfat ist ein elastisches Gel, das schließlich zu einer festen Masse wird. Der Verzögerer Natriumphosphat verlangsamt diese eigentlich sehr rasch ablaufende Reaktion, indem er die Kalziumionen abfängt und bindet. Erst dann, wenn das Phosphat vollständig verbraucht ist, kann der Abbindevorgang so richtig in Gang kommen. Je nachdem, wie viel Verzögerer dem Alginat zugesetzt wird, unterscheidet man zwischen schnell und normal abbindenden Alginaten. Darüber hinaus kann die Abbindezeit auch durch die Wassertemperatur gesteuert werden: Warmes Wasser beschleunigt das Abbinden des Alginatbreis, kaltes Wasser verlangsamt die Reaktion. Die tatsächliche Verarbeitungszeit ist auf der Verpackung des Herstellers angegeben und bezieht sich in der Regel auf eine Wassertemperatur von 23 Grad.

Viskosität

Dieser Begriff bezeichnet die Zähflüssigkeit eines Materials. Je größer die Viskosität, umso dickflüssiger und weniger fließfähig ist ein Stoff.

Weitere Inhaltsstoffe im Alginatpulver verbessern die Verarbeitbarkeit. Je nach Hersteller sind verschiedene anorganische Füllstoffe wie Kieselgur, Talkum oder Zinkoxid enthalten. Diese bestimmen die Viskosität des Alginatbreis und erhöhen die Festigkeit des abgebundenen Materials. Je nach Einsatzgebiet werden Farbstoffe oder andere Zusatzstoffe beigemischt, um bestimmte Eigenschaften des Alginats zu erzielen. So werden zum Beispiel in der Dentaltechnik Geschmacksverbesserer beigemischt. Die Zutatenliste einer Alginatmischung könnte zum Beispiel so aussehen:

Gesundheitsgefährdende Stoffe:

 Kalium-Fluor-Titanat

 Kieselgur als Füllstoff

Unbedenkliche Stoffe:

 Triethanolamin-Alginat

 Calciumsulfat Dihydrat (Gips)

 Tetranatrium- Pyrophosphat (TSPP)

 Magnesiumoxid

 Natriumalginat

Alginate für Körperabformungen und Zahnabdrücke sind staubfrei und frei von Glasfaserspänen oder anderen Stabilisatoren. Im Gegensatz dazu gibt es Produkte, die zur Verbesserung der Stabilität Späne enthalten. In der Praxis zeigt sich jedoch häufig, dass diese Alginate, die zum Teil auch als „Superalginat“ bezeichnet werden, keine signifikanten Vorteile haben. Der Umgang mit dem Material erfordert im Gegenteil die Einhaltung von sicherheitstechnischen Maßnahmen aufgrund des Fasergehaltes, der für den Laien oft schwer durchzuführen ist.

2.2.2 Materialeigenschaften

Aufgrund seiner besonderen Materialeigenschaften ist Alginat besonders gut geeignet, um vorhandene Strukturen detailgetreu abzubilden. Alginat wird als trockenes Pulver angeliefert und kann in dieser unscheinbaren Form gut aufbewahrt werden. Je nach Hersteller hat das Alginat unterschiedliche Farbnuancen. Immer aber wird es staub- und bleifrei geliefert, um gesundheitliche Schäden durch das Einatmen des Pulvers auszuschließen. Seine spezifischen Eigenschaften entfaltet die Substanz erst dann, wenn sie mit Wasser zu einem Alginatbrei angemischt wird:

 Wie viskos, also wie fließfähig der Alginatbrei ist, wird durch die Menge an zugegebenem Wasser gesteuert. Der Hersteller des jeweiligen Produktes gibt hier genaue Dosierungsanweisungen, die beachtet werden sollten, um zu einem guten Ergebnis zu kommen.

 Durch die geringe Korngröße der Füllstoffe und durch die Art der enthaltenen Makromoleküle (Polymere, aus vielen gleichen Teilen aufgebaute Moleküle) kann sich die Alginatmasse sehr fein um die Strukturen legen und sie dementsprechend genau abbilden. Für das menschliche Auge reicht diese Genauigkeit bei weitem aus und man kann über die Feinheit nur staunen, mit der zum Beispiel bei der Körperabformung sogar Poren und kleinste Fältchen nachgebildet werden. Die Alginatabformungen dienen in der Regel zur Herstellung von Situationsmodellen, an denen sich der Ist-Zustand des Kiefers und der Zähne ablesen und das weitere Vorgehen planen lässt. Für die Herstellung von Kronen oder Inlays werden allerdings andere Materialien genutzt, die noch detaillierte Ergebnisse liefern können. Dies sind zum Beispiel Silikone, Polysulfide oder Polyethern.

 Hat das Alginat abgebunden, ist es jedoch keinesfalls eine feste Masse, sondern fühlt sich eher an (und verhält sich auch so wie ein wabbeliger Pudding. Ausgesteiftes Alginat klebt nicht und behält auch seine Form, reißt aber leicht und ist nur in eingeschränktem Maß verformbar oder elastisch.

 Nachdem das Alginat angerührt und die Abformung hergestellt wurde, kommt es zu einer Verdunstungsreaktion des Wassers, das locker zwischen den Makromolekülen gebunden ist. Je nachdem, ob die Abformung feucht oder trocken gelagert wird, quillt sie auf oder schrumpft durch die Verdunstung des Wassers ein. Daraus ergeben sich Änderungen in der Dimension, die sich auf das Modell auswirken, dass aus der Abformung hergestellt werden soll. Um ein wirklichkeitsgetreues Ergebnis zu erzielen, ist es wichtig, die Abformung möglichst sofort auszugießen. Länger als eine Stunde sollte man nicht damit warten. Allerdings gibt es im zahnmedizinischen Bereich mittlerweile Produkte, die bis zu fünf Tage gelagert werden können, ohne dass es zu relevanten Größenänderungen kommt.

 Alginat gehört zur Gruppe der Hydrokolloide, das sind Substanzen, die überwiegend natürlichen Ursprungs sind und die Fähigkeit zur Gelbildung besitzen. Diese Hydrokolloide besitzen im abgebundenen Zustand Elastizität, so dass auch sich überlagernde Stellungen wiedergegeben werden können. Werden diese Stellen beim Abziehen „aus der Form gebracht“ bilden sie sich allerdings nicht immer zufriedenstellend zurück. Die Gefahr, dass die Abformmasse reißt kann dadurch begrenzt werden, dass die Dicke an solchen Stellen mindestens vier Millimeter beträgt.

2.3 Geschichte des Alginats

Der britische Chemiker und Pharmazeut Stanford gilt als Entdecker des glibberigen Stoffes. Im Jahr 1880 extrahierte er zum ersten Mal Alginsäure aus Braunalgen. Er entdeckte das Potential der Substanz und ließ sich das von ihm entwickelte Verfahren schon ein Jahr später patentieren. Um Algin zu extrahieren, wurde der Seetang in Wasser oder verdünnte Säure eingeweicht, mit Natriumkarbonat extrahiert und anschließend mit Säure ausgefällt.

Stanford gab dem Alginat auch seine Namen: Als „Algin“ bezeichnete er die löslichen Stoffe, „Algin Acid“ (Alginsäure) nannte er den ausgefällten Stoff, den man erhält, wenn man das Algin mit Säure mischt. In den Vereinigten Staaten wurde das Verfahren zur Extraktion von Alginat in seiner reinsten Form fast zeitgleich entwickelt und bereits 1896 von Krefting patentiert. Bis das Polysaccharid jedoch industriell gewonnen wurde, dauert es noch bis in die 1920er Jahre. Die kalifornische Kelco Company, die 1929 gegründet wurde, ist bis heute einer der größten Alginatproduzenten und hält verschiedene Patente für die Verwendung von Alginat, so zum Beispiel zur Nutzung von Alginaten als Bestandteil von strukturierten Fleischprodukten aus der Lebensmittelindustrie: Alginatgele für die Herstellung von strukturierten Fleischprodukten (DE68910011T2 14.04.1994)