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Polymere als Gele: Moderne Anwendungen

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Seit Jahrzehnten werden Polymere in Form von Hydrogelen in verschiedenen Produkten unseres Alltags eingesetzt. Dazu gehören z. B. Kontaktlinsen, Windeln oder Implantate [1]. Hydrogele besitzen die Eigenschaft, in wässriger Umgebung stark zu quellen und dreidimensionale, hydrophile Netzwerke auszubilden. Es handelt sich dabei um natürliche oder synthetische Polymere mit hydrophilen funktionellen Gruppen, deren Rückgrat quervernetzt ist [2].

In neuerer Zeit werden verstärkt sogenannte responsive Hydrogele erforscht. Sie reagieren reversibel auf externe Stimuli physikalischer und chemischer Art, wie Temperatur, pH, Licht, Magnetfeld u. a. [2]. Diese Reaktion zeigt sich als Übergang vom gequollenen in den kollabierten Zustand und somit als Volumenänderung. Dieses Verhalten, auch Volumenphasenübergang genannt, kann z. B. dazu genutzt werden, Stoffe in den Gelen einzufangen und auf „Knopfdruck“ wieder freizusetzen. Die Geschwindigkeit der Volumenänderung responsiver Hydrogele hängt stark von der Größe des Polymernetzwerks ab. Im Folgenden schauen wir uns die Mikrogele genauer an, deren Netzwerk im Größenbereich zwischen einigen Hundert Nanometern und wenigen Mikrometern liegt [3,4].
 

Mikrogele

Die poröse Struktur der Mikrogele ermöglicht den Stofftransport und kann u. a. über den Quervernetzeranteil reguliert werden. Mikrogele haben eine hohe Oberfläche und eignen sich besonders gut, um mit funktionellen Gruppen oder Molekülen ausgestattet zu werden. Durch geeignetes synthetisches Design, wie die Kopolymerisation mit Monomeren einer anderen Spezies, können Mikrogele mit verschiedenen Architekturen und Funktionalitäten hergestellt werden. Darunter fallen z. B. sogenannte Janus-Mikrogele [5], anisotrope Mikrogele [6], schwach vernetzte Mikrogele [7], hohle Mikrogele sowie Mikrogele mit Kern und Schale aus unterschiedlichen Materialien [8]. Auf diese Weise ist auch eine Kompartimentierung möglich, z. B. um unterschiedliche Reaktionsräume zu schaffen.

A. Mikrogele können auf vielfältige Weise funktionalisiert und kompartimentiert werden, um gewünschte Stoffaustauschprozesse und Reaktionen zu ermöglichen. Gewünschte Eigenschaften können durch unterschiedliche Architekturen erzielt werden: B. Janus-Mikrogele (Bildquelle: [5], CC BY 4.0 Lizenz). C. Doppelt-responsive Kern-Schale-Mikrogele (Bildquelle: [8], CC BY-NC 3.0 Lizenz). D. Anisotrope, hohle Mikrogele (Nachgedruckt mit Genehmigung von [6], Copyright 2019, American Chemical Society). Schema des Mikrogels in A und C jeweils aus Schmid et al., CC BY-NC-SA 4.0 Lizenz).

Aufgrund ihrer Schaltbarkeit und ihrer vielfältigen, kontrollierbaren Eigenschaften werden responsive Mikrogele zurzeit intensiv für eine Reihe von Anwendungen untersucht. Potentielle Anwendungsfelder liegen z. B. in der medizinischen Therapie als Drug Delivery-Systeme, in der Biomedizin als Scaffolds für das Tissue Engineering, in der Katalyse als Reaktoren, in der Messtechnik als Aktuatoren oder Sensoren, in der Trenntechnik als Membranbeschichtung und vielen mehr. Im Folgenden sollen einige Beispiele moderner Mikrogel-Anwendungen vorgestellt werden.

Bestandteil einer künstlichen Extrazellulärmatrix für die Geweberegeneration

Die Regeneration von Geweben stellt einen hoffnungsvollen Ansatz der modernen Medizin dar. Für das sogenannte Tissue Engineerung werden u. a. Patientenzellen und ein idealerweise dreidimensionales, biokompatibles Gerüst (Scaffold) benötigt, auf dem die Zellen außerhalb des Körpers wachsen können, um anschließend wieder implantiert zu werden. Einige Zellen wie Muskel- oder Nervenzellen benötigen zudem mechanische oder richtungsgebende Stimuli. Für diese Zwecke hat man ein hybrides, injizierbares Hydrogel als Scaffold entwickelt. Es enthält stäbchenförmige, magneto-responsive Mikrogele, die geringe Mengen magnetischer Nanopartikel beherbergen. Nach Injektion des Hydrogels in das beschädigte Gewebe kann es durch Anlegen eines schwachen magnetischen Feldes ausgerichtet und durch Enzymwirkung quervernetzt werden. Die Ausrichtung der Mikrogele bietet den Zellen eine räumliche Orientierung und löst in vitro ein gerichtetes Wachstum von Fibroblasten und Nervenzellen aus [9].

Magneto-responsives Mikrogel dient als Orientierung für ein gerichtetes Wachstum von Nervenzellfortsätzen. Bildquelle: [9], weitere Berechtigungen in Bezug auf das extrahierte Bildmaterial sollten an ACS gerichtet werden.

Biosensoren für den Nachweis von Pestiziden

Viele in der Landwirtschaft und in privaten Haushalten verwendete Insektizide enthalten Organophosphate als Hauptwirkstoffe. Diese Phosphorsäureester sind jedoch nicht nur toxisch für Insekten, sondern auch für Menschen. Ihre Wirkung basiert auf der irreversiblen Hemmung mehrerer Enzyme, insbesondere der Acetylcholinesterase, die für die Spaltung des Neurotransmitters Acetylcholin zuständig ist. Die Folge ist eine Überstimulation des Nervensystems. Um Pestizidrückstände in der Umwelt oder in der Nahrung nachzuweisen, werden Cholinesterase-basierte Sensoren seit Jahren verwendet und weiterentwickelt. Einen neuen Weg, das Enzym auf der Sensoroberfläche schonend zu immobilisieren, stellt eine Mikrogel-Matrix dar. Die Temperatur- und pH-Responsivität wird ausgenutzt, um das Mikrogel im kollabierten und ungeladenen Zustand auf die hydrophobe Oberfläche zu adsorbieren und anschließend im gequollenen, geladenen Zustand mit Enzym zu beladen. Bei Kontakt mit einem Organophosphat wird die Enzymreaktion mit dem eigentlichen Substrat inhibiert und der Sensor weist eine hohe Sensitivität auf [10, 11].

Mikrogele stellen eine neue Immobilisierungsplattform für Enzyme in Biosensoren dar. Bildquelle: [11],CC BY 4.0 Lizenz. 

Toxinfänger für die Behandlung von Cholera

Die Infektionskrankheit Cholera wird durch das Bakterium Vibrio cholerae ausgelöst und verursacht lebensbedrohliche Durchfälle. Verantwortlich für die Toxizität des Bakteriums ist sein Exotoxin (Choleratoxin), das über einen Glykolipid-Rezeptor (GM1a) an Darmepithelzellen bindet. Eine neue Strategie im Kampf gegen die Krankheit stellt das spezifische Einfangen des Choleratoxins im Darm dar. Zu diesem Zwecke hat man Mikrogele entwickelt, die mit den Glykan-Epitopen des Glykolipid-Rezeptors funktionalisiert sind und somit kompetitive Bindungsstellen für das Toxin tragen. Durch die große Porenweite können Toxine in die Mikrogelnetzwerke eindringen und sollen nach Bindung an die Glykan-Epitope zusammen mit den Mikrogelen ausgeschieden werden. Erste in vitro-Tests zeigten eine schützende Wirkung intestinaler Epithelzellen [12].

Glykofunktionalisiertes Mikrogel stellt kompetitive Bindungsstellen für das Choleratoxin bereit. Nachgedruckt mit Genehmigung von [12]. Copyright 2019, American Chemical Society.

Rotoren für die Mikrorobotik

Inspiriert von der Bewegung begeißelter Mikroorganismen oder Spermien wurde ein künstlicher Mikroschwimmer auf Mikrogel-Basis konstruiert. Der Mikroschwimmer hat die Form eines zusammengerollten Bandes und besteht aus zwei Schichten: Die innere Schicht ist ein Metall, die äußere Schicht ein licht- und thermoresponsives Mikrogel mit eingebetteten Goldnanostäbchen. Bei Bestrahlung mit Nahinfrarotlicht wird die Lichtenergie von den Goldnanostäbchen lokal in Wärme übertragen, was im Mikrogel den Übergang vom gequollenen in den kollabierten Zustand auslöst. Dadurch schrumpft die äußere Schicht und führt zu einer Verformung und Entspannung der Spirale. Nach Beendigung des Lichtimpulses und Abkühlen des Materials wird die gekrümmte Form wiederhergestellt. Ein sich wiederholender Wechsel aus Schrumpfen und Expansion führt dazu, dass der Mikroschwimmer eine rotierende Bewegung ausführt. Ferngesteuerte Mikroroboter sollen zukünftig in der minimalinvasiven Medizin Anwendung finden [13].

Ein spiralförmiger Mikrogel-Rotor bewegt sich durch Lichtimpulse. Bildquelle: [13], CC BY 4.0 Lizenz.

Autoren: Dr. Anna Eisele und Prof. Dr. Walter Richtering (Institut für Physikalische Chemie, Sonderforschungsbereich 985, RWTH Aachen University)
Redaktionelle Bearbeitung: Lisa Süssmuth, GDCh
 

Literatur

Hier sind die Literaturnachweise zusammengefasst.​​​​​​​

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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