Biomoleküle sind organische Moleküle, die von lebenden Systemen synthetisiert werden, typischerweise eingeteilt in Kohlenhydrate, Lipide, Nukleinsäuren und Proteine. In der Werkstoffforschung sind sie sowohl als strukturelle Komponenten biomimetischer Werkstoffe als auch als funktionelle, meist molekular erkennungsspezifische Einheiten von zentraler Bedeutung.

Man unterscheidet niedermolekulare Metabolite von Biomakromolekülen wie Polysacchariden (z.B. Hyaluronsäure), Proteinen und Proteoglykanen. Letztere bilden in nativen Geweben hierarchische Verbundstrukturen, deren Mechanik (z.B. Zähigkeit, viskoelastisches Verhalten) als Vorbild für bioinspirierte Komposite, Hydrogele und Faserverbunde dient.

In funktionalen Werkstoffen werden Biomoleküle häufig als biogene Bausteine genutzt. Beispiele sind Peptide zur Oberflächenfunktionalisierung, DNA-Stränge als programmierbare Bindungspartner oder Polysaccharide als Gerüstmaterial in injizierbaren Hydrogelen. Die Wechselwirkungen beruhen auf nichtkovalenten Kräften (Wasserstoffbrücken, elektrostatische und hydrophobe Effekte) sowie spezifischer molekularer Erkennung.

Therapeutische Biomoleküle wie Enzyme, Antikörper oder rekombinante Proteine werden in Trägersysteme integriert, etwa in Nanopartikel oder poröse Gerüste. Metallmarkierte Antikörper illustrieren den Brückenschlag zur Materialchemie: Kovalent oder koordinativ gebundene Metallionen bzw. -cluster erlauben bildgebende Verfahren, katalytische Funktionen oder lokalisierte Hyperthermie.

Für materialwissenschaftliche Anwendungen sind zentrale Fragestellungen die Stabilität (Denaturierung, Degradation), die Steuerung der Selbstorganisation, die Kopplung an anorganische Phasen sowie die präzise strukturelle Charakterisierung (z.B. mittels SAXS, Cryo-EM, NMR). Biomoleküle stellen damit eine Schlüsselklasse für die Entwicklung adaptiver, selbstheilender und biokompatibler Hochleistungswerkstoffe dar.