Trendbericht Makromolekulare Chemie 2025

Nachhaltigkeit und Lösungen für die Energiewirtschaft – vor allem das trieb die Polymerchemie in den vergangenen zwölf Monaten um. Auch die Resultate von Synthese- und Assemblierungsmethoden waren beeindruckend: vom One-pot-Stereokomplex über Zentimeter-spannende molekulare Membranen zu lebenden und adaptiven Netzwerken. Polymerbasierte Materialien trugen auch zur Behandlung verschiedener Krankheiten bei.

Präzision und Kontrolle

Selektiv Bindungen knüpfen und brechen: Gruppen in Deutschland stellten stereoselektive Polymere her, bauten Schwefel in Polymerketten ein und spalteten mechano-chemisch Makromoleküle.

Um Taktizität und Mikrostruktur zu kontrollieren, wurden neue katalytische Systeme angewandt. Frey und Coates demonstrierten die stereoselektive Polymerisation biobasierter Phenyl-Glycidylether.¹⁾ Stereokomplexe entstehen dabei direkt, indem das racemische Monomergemisch am Cobaltkomplex polymerisiert. Auch die Buchmeiser-Gruppe stellte stereoselektiv Polymere durch Ring-Expansionspolymerisation her und nutzte dafür kationische Molybdänkomplexe mit N-heterocyclischen Carbenen. Die Stereoselektivität für Norbornen-Derivate übertraf 99 %.²⁾

Um die Polymerisation von N-Acryloxysuccinimid (NAS) besser zu steuern und definierte Blockcopolymere herzustellen, entwickelte die Adams-Gruppe eine silbervermittelte ARGET-ATRP-Methode. Erstmals copolymerisiert dadurch NAS mit funktionellen Acrylaten unter milden Bedingungen, wobei sich Molmassen und Zusammensetzung steuern lassen.³⁾ Die Plajer-Gruppe produzierte erstmals definierte Copolymere vom Typ Poly(Monothiocarbonat-alt-S_X) aus CS₂, Schwefel und Propylenoxid durch Lithium-Katalyse. Die Gruppe fügte S_X-Oligosulfidbrücken durch in situ gebildete Thiolate ein, wodurch sich zuvor inkompatible Monomere kombinieren lassen (Abbildung 1). So lässt sich elementarer Schwefel in funktionalen Polymeren rohstofflich nutzen.⁴⁾

Wie Göstl und Team zeigten, lässt sich die mechanochemische Spaltung von Polymeren beschleunigen, dabei aber die thermische Konkurrenzreaktion verlangsamen.⁵⁾ Möglich wurde dies, weil das untersuchte System (Carbamoyloxime) unterschiedliche Reaktionswege für beide Spaltungen bietet (Abbildung 2).

Die Gruppe um Abetz erforschte die Photo-Iniferter-RAFT-Emulsionspolymerisation amphiphiler Blockcopolymere.⁶⁾ Sie nutzte blaues Licht und umweltfreundliche Lösemittel wie ein Wasser-Alkohol-Gemisch. Die Methode ist skalierbar, und obwohl Emulsion und Beleuchtung kombiniert wurden, ergaben verschiedene Volumina hohe Umsätze. Die Polymerisation liefert Blockcopolymere, etwa für Membrananwendungen, unter simplen Reaktionsbedingungen.

(Polymer-)Chemie durch und mit Licht

Die Steuerung von Polymerisationen und die Materialsynthese mit Licht blieben relevante Themen. Schwerpunkt waren Polymernetzwerke, etwa beim 3-D-Druck dynamischer Materialien,⁷⁾ bei der Photovernetzung supramolekularer Gele⁸⁾ oder bei Hydrogelen als Katalysematrix.⁹⁾

Kocaarslan et al. zeigten die photoinduzierte anionische Polymerisation von Ethyl-2-cyanoacrylat (ECA) – mit graphitischem Kohlenstoffnitrid (g-C₃N₄) als Photokatalysator. Die Methode funktioniert bei Raumtemperatur, wobei sich durch Reduktion von ECA ein Radikal-Anion bildet.¹⁰⁾

Wie Barner-Kowollik und sein Team bereits im Jahr 2017 gezeigt hatten, muss die fast 200 Jahre alte Annahme, das Absorptionsspektrum eines Moleküls bestimme seine photochemische Reaktivität, überdacht werden. Die Autoren zeigten nun, wie die wellenlängenaufgelöste Quantenausbeute im Verhältnis zum Absorptionsspektrum den lichtinduzierten 3-D-Druck durch makromolekulare Vernetzung beeinflusst.¹¹⁾ Dass die Reaktivität verglichen mit dem Absorptionsspektrum häufig rotverschoben ist, bringt Vorteile: höhere Druckgeschwindigkeit, größere Eindringtiefe und geringerer Energieverbrauch.

Die Gruppe um Andrieu-Brunsen stellte mit lichtinduzierten Prozessen mesoporöse keramische Netzwerke im 3-D-Druck her.¹²⁾ Dabei kombinierten die Forschenden Photo-Sol-Gel-Chemie – mit Photosäuren für die Hydrolyse-Kondensationsreaktion von Silanen – und Light-induced Self-assembly (LISA).¹²⁾ Durch Digital Light Processing (DLP) entstanden so 3-D-Keramiken.

Die Arbeitsgruppe Blasco kombinierte DLP-3-D-Druck mit dynamisch-kovalenter Chemie, um „lebende“ 3-D-Strukturen zu schaffen.⁷⁾ Sie ließ die Strukturen wachsen und passte die mechanischen Eigenschaften an (Elastizitätsmodul: 770 kPa bis 1,2 GPa). Dies gelang mit eingebundenen Alkoxaminen durch nitroxidvermittelte Polymerisation und Nitroxid-Austauschreaktionen.

Die Gruppe um Thiele fusionierte hochpräzise additive Fertigung mit Spritzgießen.¹³⁾ Die Forschenden druckten mikroskalige Strukturen, darunter Linien oder Gitter, per DLP auf Bauteile aus dem Spritzgussverfahren und steuerten so lokal mechanische Eigenschaften. Dass Materialien aus unterschiedlichen Verfahren zusammenhalten, erreichte die Gruppe durch Wasserstoffbrückenbindungen der Poly(Urethane) und eine optimierte Oberflächenrauigkeit.

Mit einer Methode von Besenius und Team lassen sich dynamische Hydrogele herstellen, deren Viskoelastizität und Stressrelaxation anpassbar sind.¹⁴⁾ Diese Eigenschaften entstehen durch supramolekulare Verknüpfungen, vermittelt von Cucurbit[8]uril (CB[8]), und eine schnelle Austauschkinetik. Im durch CB[8] definierten Hohlraum dimerisieren Stilbazolium-Endgruppen, was zur Vernetzung führt (Abbildung 3). Die Materialien lassen sich mit Zellen beladen und als Biotinte im 3-D-Druck einsetzen.

Außerdem wurden Systeme entwickelt, die auf Licht reagieren. Der Arbeitskreis Gröhn entwickelte schaltbare Nanostrukturen in wässriger Lösung.⁸⁾ Diese entstehen, indem Polyelektrolyte und Photosäuren elektrostatisch wechselwirken, unterstützt durch ionische Interaktion und Wasserstoffbrücken. Unter Bestrahlung verändert sich der Dissoziationsgrad der Photosäuren, was Form und Größe der Nanoobjekte beeinflusst.

Polymercubosome (PCs) sind selbstorganisierte Blockcopolymer-Mikropartikel mit einem bi-kontinuierlichen Kanalsystem und großer Oberfläche. Der Kanaldurchmesser lässt sich zwischen 10 und 200 nm einstellen, wobei Wände und Oberfläche aus beliebigen Polymeren bestehen können. Gröschels Team erforschte den Bildungsmechanismus der PCs und zeigte, wie Licht diese abbaut.¹⁵⁾

Löffler und sein Team präsentierten ein Verfahren zur Herstellung perowskitbasierter Optoelektronik. Beim „Confined Flash Printing“ entstehen Perowskit-Nanofilme direkt auf Substraten unter Umgebungsbedingungen.¹⁶⁾ Durch Wärmezufuhr in einem begrenzten Bereich bilden sich in Polymer eingebettete Filme (Abbildung 4) mit verbesserter Kristallstruktur und höherer Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff verglichen mit unverkapselten Perowskiten – ein Schritt zu günstiger, skalierbarer Produktion perowskitbasierter Optoelektronik.

Die Schacher-Gruppe entwickelte polyampholytische Hydrogele als weiche Matrix, um lichtgesteuert Wasserstoff zu produzieren.⁹⁾ Die Reaktion läuft mit sichtbarem Licht in wässrigem Medium und verzichtet auf Edelmetalle. Molybdänsulfid katalysiert die H₂-Erzeugung unterstützt von Rylenen als Sensibilisator. Durch die reversible elektrostatische Bindung im Hydrogel lassen sich zerstörte Funktionseinheiten austauschen.

Nachhaltigkeit, Wasser und biobasierte Rohstoffe

Effizient und idealerweise sonnenlichtbetrieben Wasserstoff zu produzieren ist wichtig, um nachhaltig zu werden. Mit Umweltschutz im Blick wurde erforscht, wie sich Metalle¹⁷⁾ oder perfluorierte Substanzen (PFAS)¹⁸⁾ aus (Ab-)Wasser abtrennen lassen und biobasierte Rohstoffe wie Lignin^19–21) eingesetzt werden können.

Gaitzsch, Howdle und Team führten erstmals radikalische Ringöffnungs-Polymerisation in superkritischem CO₂ durch.²²⁾ Mit einer Fällungspolymerisation steuerten sie die molare Masse – ein Verfahren, das mit dem entstehenden Poly(2-Methylen-1,3,6-Trioxocan) unter üblichen Bedingungen nicht möglich ist, da dieses hydrolyseanfällig ist.

Ein Team um Börner und Neubert untersuchte, wie sich Biskatechole elektrochemisch aktivieren lassen, um Polymere durch Thiol-Chinon-Michael-Polyaddition herzustellen.²³⁾ Der Prozess läuft in Wasser ab und erwies sich als kostengünstig. Die dabei entstehenden Materialien stabilisieren Enzyme, indem sie bei beginnender Denaturierung an instabile Bereiche binden, diese abschirmen und dem Enzym Zeit geben, seine ursprüngliche Struktur wiederherzustellen.

Glebe, Kumke und Team entwickelten makromolekulare Systeme, die Lanthanoidionen aus wässrigen Lösungen binden, um diese zu recyceln.¹⁷⁾ Dafür kombinierten sie Polymere mit Peptidsequenzen, die von Metalloproteinen abgeleitet sind. Die so entstandenen Konjugate mit Poly(Dimethylacrylamid) binden mit höherer Affinität an Europiumionen als die freien Peptide.

Gallei und Mitarbeitende widmeten sich der Schmutzwasserbehandlung. Sie stellten Membranen aus cobaltoceniumhaltigen Blockcopolymeren her (Abbildung 5), die Metallionen und PFAS aus Wasser abscheiden.¹⁸⁾ Die Membranen sind hochpermeabel und hielten Perfluoroktansäure zu 99,3 % bei niedrigem Wasserfluss und zu 96,6 % bei höherem Wasserfluss zurück.

Seiffert und Team entwickelten einen Ansatz zur Wasserbehandlung.²⁴⁾ Sie erforschten supramolekulare Polymernetzwerke aus Poly(N-Acryloylglycinamid), die durch Wasserstoffbrückenbildung und Aggregation in Nanodomänen entstehen, was eine Gelierung in Wasser ermöglicht. Durch Einbau geladener Co-Monomere eignen sich die Gele zur Wasserentsalzung basierend auf dem Donnan-Effekt.

Weil, Synatschke und ihr Team ließen sich von biologischen Ionenkanälen inspirieren: Sie entwickelten freistehende Poly(Dopamin)-Nanomembranen durch Elektropolymerisation.²⁵⁾ Die Oberfläche der Nanokanäle mit 10 bis 17 Nanometern Durchmesser enthalten viele Amino- und phenolische Hydroxidgruppen. Diese Gruppen beeinflussen die Selektivität der Filtration, sodass sich abhängig vom pH-Wert monovalente von multivalenten Ionen trennen lassen.

Andere Gruppen haben biobasierte Rohstoffe zur Polymerisierung genutzt. Saalwächter, Thurn-Albrecht, Androsch und ihr Team untersuchten Poly(3-Hydroxybutyrat) (P3HB), das sich nur eingeschränkt nutzen lässt, da es spröde wird. Wie sie mit Festkörper-NMR-Spektroskopie zeigten, ist P3HB ein „kristall-mobiler“ Polyester. Die kristallinen Lamellen verdicken sich nach dem Primärwachstum durch intrakristalline Kettendiffusion, ähnlich wie bei Poly(Ethylen). Damit ergeben sich neue Perspektiven für eine bessere Prozessführung bei der Verarbeitung.²⁶⁾

Blasco und Team entwickelten ein lactatesterbasiertes Monomer für den 3-D-Druck durch DLP (Abbildung 6).²⁷⁾ Gedruckte 3-D-Strukturen lassen sich durch Aminolyse abbauen, wobei der Ausgangsstoff des Vernetzers zurückgewonnen und in neue Harze integriert wird. Dadurch können biobasierte Ressourcen durch Upcycling im Kreislauf gehalten werden.

Buchmeiser und Kühne haben nachhaltige Papiere aus Lignin und Poly(Vinylpyrrolidon) hergestellt und karbonisierten diese in wenigen Sekunden durch Plasmajet-Behandlung.¹⁹⁾ Das schnelle Erhitzen macht die Oberfläche der Papierfasern porös. Dadurch eignen sie sich für Superkondensatoren, die eine Kapazität bis 41,2 mF · g^–1 aufweisen und langzeitstabil sind.

Chanda, Bhaumik und ihr Team nutzten ebenfalls Lignin als Rohstoff. Sie kombinierten es mit Poly(Vinylalkohol) und vernetzten das Biopolymer mit Glyoxal zu transparenten Hydrogelen.²⁰⁾ In diese Netzwerke wurde Bengalrot eingebettet, wodurch die Gele unter grünem Licht antimikrobiell wirkten. Das enthaltene Lignin zeigte hierbei eine synergistische Wechselwirkung mit den anderen Komponenten.

Wie Hartwigs Team bewies, eignen sich Abfälle aus der Lebensmittelproduktion, um polymerbasierte Funktionsmaterialien herzustellen.²⁸⁾ Dazu eignet sich Keratin aus Geflügelfedern: Durch alkalische Solvolyse wird es aufgeschlossen und als brandhemmender Holzkleber genutzt.

Wie Mutlu und ihr Team zeigten, lässt sich 4-Pentensäure aus lignozellulosehaltiger Biomasse mit biobasiertem Isosorbid zu funktionalen Poly(Estern) kombinieren.²¹⁾ Diese Materialien sind vollständig biokompatibel, mechanisch stabil und thermisch widerstandsfähig. Sie könnten sich für bioresorbierbare Implantate eignen oder zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen dienen.

Polymere gegen die Energiekrise

Polymere tragen als aktives Material^29–32) oder Elektrolyt³³⁾ in Energiespeichern dazu bei, die Energiewirtschaft nachhaltiger zu machen, indem sie (Schwer-)Metalle mit all ihren Umweltproblemen ersetzen und Lebenszeiten erhöhen.

Die Gruppe um Esser entwickelte redoxaktive Polymere als aktives Material für vollständig organische Batterien.²⁹⁾ Diese Polymere enthalten Phenothiazine als Seitengruppen und eignen sich sowohl für die negative Elektrode (erster Oxidationsschritt) als auch für die Positivelektrode (zweiter Oxidationsschritt) (Abbildung 7, S. 60). Die elektrochemische Zelle behält 99 % ihrer Kapazität nach 200 Zyklen.

Mutlu und ihr Team untersuchten schwefelhaltige organische Materialien.³⁰⁾ Sie setzten ein Copolymer auf 2,4-Thiophen-Basis als Kathodensystem für Natrium- und Lithium-Ionen-Batterien ein. Durch gezieltes Design steigerten sie die Redoxaktivität, unterdrückten die Poly(Sulfid)-Migration und verbesserten die Zyklenstabilität. In elektrochemischen Tests zeigten die Materialien hohe Coulomb-Effizienzen und stabile Kapazitäten über dutzende Ladezyklen.

Kühnes Team nutzte poly(Imidazol)-basierte Nanopartikel als redox-aktive Komponente in Elektroden für organische Polymerbatterien.³¹⁾ Bakterien (Pseudomonas aeruginosa) kompostieren die Elektrode innerhalb weniger Tage.

Theato und Mitarbeitende entwickelten Poly(Imid)-Poly(Ethylenglykol)-Copolymere als feste Polymerelektrolyte für Lithium-Metall-Batterien.³³⁾ Diese Copolymere bieten hohe Ionenleitfähigkeit, mechanische Festigkeit und sind thermisch stabil sowie schwer entflammbar, was sie vielversprechend für sichere und leistungsstarke Energiespeichersysteme macht.

Batterien zu entwickeln, die mit anderen Ionen als Li⁺ funktionieren, ist herausfordernd, aber lohnt sich. Verlässliche elektrochemische Methoden fehlen, um die Überführungszahl des aktiven Ions (T+) zu präzisieren. Schönhoff und Team entwickelten eine NMR-Methode, die auf Messungen der Migrationsgeschwindigkeit des Anions basiert und mit Impedanzanalyse kombiniert wird.³⁴⁾ Sie bestimmten T+ in Polymerelektrolyten, die auf Kationen wie Natrium, Magnesium und Kalium basieren, deren Kerne schwer zugänglich für NMR sind.

Die Energiedichte von Kondensatoren ist in polymerbasierten Materialien oft begrenzt. Künneth und sein Team nutzten künstliche Intelligenz und Polymerchemie, um Poly(Norbornene) und Poly(Imide) mit höherer Energiedichte zu entwickeln.³²⁾ Wichtig ist auch, dass die Materialien thermisch stabil sind: Eines zeigte eine 11-fach verbesserte Energiedichte bei 200 °C gegenüber käuflichen Materialien.

Auch die Forschungsgruppe um Beuermann nutzt Machine Learning (ML), um Polymereigenschaften zu optimieren.³⁵⁾ Sie gewann die Daten für das Training der ML-Modelle durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen radikalischer Homopolymerisationen von Butylacrylat und Vinylacetat. Die Modelle sagen die Molmassenverteilung und Verzweigungen voraus.

Analysen

Dieses Jahr untersuchten Forschende unter anderem die mechanischen Eigenschaften von Pom-Poms^36,37), thermoplastischen Elastomeren (TPEs) und das Verhalten thermo-responsiver Mikrogele^38,39).

Wilhelm, Hirschberg und Mitarbeitende bestimmten erstmals quantitativ, wie Dehnverhärtung sowie Art und Länge der Verzweigungen in TPEs zusammenhängen.³⁶⁾ Sie stellten Modellsysteme per anionischer Polymerisation aus Styren und Isopren her (Abbildung 8).³⁷⁾ Diese Materialien zeigten unter anderem hohen Dehnstress bei starker Dehnung und sind kommerziellen Produkten dabei überlegen.

Um die Eigenschaften zu analysieren, streckten die Forschenden Polymere mit Pom-Pom-Topologie (30 Verzweigungen pro Seite und 10⁶ g · mol^–1) uniaxial.³⁶⁾ Wie sie feststellten, steigt die Dehnverhärtung quadratisch mit der Verzweigungszahl. Industrielles Poly(Ethylen) niedriger Dichte (LDPE) benötigt etwa 10 Verzweigungen, um die bei der Verarbeitung nötige Dehnverhärtung zu erreichen.

Tiller, Handge und ihr Team zeigten durch viskoelastische und tribologische Analysen, wie chemische Vernetzung thermoplastische Polymere beeinflusst:⁴⁰⁾ Eine Vernetzung von LDPE mit 1 % Peroxid senkt den Verschleiß. Bei einem höheren Vernetzungsgrad von 20 % steigt jedoch der Reibungskoeffizient, da die Vernetzung die Polymere weniger kristallin und steif macht.

Die Gruppe um Reggelin erforschte den Einsatz helikal-chiraler Polymere wie Poly(Arylacetylen) und Homopolypeptide, um anisotrope NMR-Parameter enantiomeren-differenzierend zu messen.⁴¹⁾ Beide Polymertypen dienten als zweiphasige (bimesogene) Systeme, mit denen sich zwei anisotrope Datensätze aus einer Probe gewinnen lassen. Modellanalyt war (d)-(+)-Campher.

Das Team um Vogel erforschte ebenfalls NMR-Methoden. Die Forschenden analysierten die Wasserdynamik beim temperaturgesteuerten Coil-to-Globule-Übergang von Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM).⁴²⁾ Die Autoren beobachteten, wie während des Übergangs ein Teil des Wassers eine langsamere Dynamik mit erhöhter Heterogenität aufweist.

Die Volumenphasenumwandlung PNIPAM-basierter Materialien wurde auch mit dynamischer Lichtstreuung untersucht. Rahimzadeh und sein Team analysierten, wie hochfrequente Ultraschallbestrahlung Mikrogele in wässrigen Medien beeinflusst.³⁸⁾ Demnach durchlaufen PNIPAM-Systeme eine reversible Volumenphasenumwandlung, selbst wenn die Temperatur unter der Volumen-Phasenübergangs-Temperatur (VPTT) liegt. Dies weist auf einen mechanischen Kopplungsmechanismus zwischen Ultraschall und Mikrogelstruktur hin.

Karg, von Klitzing und Team untersuchten ein weiteres System auf PNIPAM-Basis. Es besteht aus Kern-Schale-Partikeln, bei denen PNIPAM die Schale um einen Siliciumpartikel bildet. Wie frühere Studien gezeigt hatten, entstehen bei bestimmten Lateraldrücken heterogene Muster beim Übertragen von PNIPAM-Mikrogelen auf ein festes, hydrophiles Substrat. Dies warf die Frage auf, ob diese Strukturierung bereits an der flüssigen Grenzfläche existiert oder erst durch den Übertrag entsteht. Der Studie zufolge bestimmt das Zusammenspiel von Kapillar- und Adhäsionskräften während des Übertragens und Trocknens die Musterbildung. Entscheidend sind dabei die Weichheit der Partikel und die Hydrophobizität des Substrats.³⁹⁾

Papadakis und Team nutzten Licht- und Röntgenstreuung, um Nanopartikel für den Wirkstofftransport zu erforschen. Sie stellten Nanopartikel mit Radien von etwa 200 nm aus Trypsin und Chondroitinsulfat her und prüften deren Stabilität, Größe und innere Struktur bei verschiedenen pH-Werten mit dynamischer Lichtstreuung und Synchrotron-Röntgenkleinwinkelstreuung.⁴³⁾ Wie sie feststellten, bleibt die enge Größenverteilung nur bis zu einem pH-Wert von 8 erhalten, und bei höheren pH-Werten ändert sich auch die innere Struktur. Dieses Verhalten führen sie auf die Änderung der Struktur des Oberflächenpotenzials von Trypsin zurück.

Membranen, Kolloide und adaptive Materialien

Highlights bei der Herstellung funktioneller Materialien waren unter anderem zentimetergroße Blockcopolymermembranen⁴⁴⁾ und Vesikel aus Coacervaten⁴⁵⁾ sowie Gele mit lebensähnlich adaptivem Verhalten.⁴⁶⁾

Die Gruppe um Bruns bildete aus Blockcopolymeren großflächige Membranen bis 10 cm² an der Wasser-Wasser-Grenzfläche. Diese selbstheilenden, etwa 35 nm dünnen Membranen wirken als Barriere ähnlich biologischen Membranen.⁴⁴⁾ Werden ionenselektive Kanäle eingebaut, lässt sich elektrische Energie aus äquimolaren NaCl- und KCl-Lösungen erzeugen in einem Aufbau, der das elektrische Organ von Zitterrochen nachahmt.

Auch Abetz, Müller und ihre Mitarbeitenden untersuchten Membranen aus Blockcopolymeren. Sie kombinierten Selbstassemblierung und nicht-lösungsmittelinduzierte Phasentrennung, um isoporöse Membranen herzustellen.⁴⁷⁾ Der Prozess umfasst Selbstassemblierung, Lösemittelverdampfung, Phasenseparation und Vitrifizierung. Um den Prozess besser zu verstehen, simulierten sie Partikel. Wie sie dabei feststellten, wird die Morphologie beeinflusst durch Inkompatibilität zwischen Polymer und Nichtlösemittel, den dynamischen Kontrast zwischen Polymer und Lösemittel sowie die Konzentrationsgrenze der Vitrifizierung. Diese Morphologien reichten von feinen, schwammartigen Netzwerken zu großen, länglichen Makroporen.

Auch für kolloidale Systeme war die Selbstassemblierung von Polymeren wichtig. Mit Polymeren steuerten Cai und Vana die Selbstassemblierung von Goldnanopartikeln zu plasmonischen Molekülen (PMs).⁴⁸⁾ Durch präzise Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Donor- und Akzeptor-Polymeren kontrollierten sie die Koordinationszahl und Symmetrie der resultierenden Strukturen. Eine ultraschallinduzierte 2-D-zu-3-D-Isomerisierung der PMs verkürzte dabei die Partikelabstände.

Um Goldnanopartikel zu assemblieren, nutzten Rossner und Team attraktive solvophobe und abstoßende elektrostatische Wechselwirkungen zwischen polymergepfropften Goldnanostäbchen.⁴⁹⁾ So stellten sie Partikelketten durch gezielte Tip-to-tip-Assemblierung der Nanostäbchen her (Abbildung 9, S. 62). Anhand der Geschwindigkeit der Assemblierung, die von der Schichtdicke der Polymerhülle abhängt, lässt sich die Zusammensetzung von Co-Assemblaten kinetisch kontrollieren.

Pich und sein Team demonstrierten die On-Chip-Herstellung nicht-sphärischer kolloidaler Strukturen durch tropfenbasierte Mikrofluidik. Als supramolekularen Vernetzer nutzten sie Poly(N-Vinylcaprolactam)-Mikrogele und natürliches Polyphenol-Tannin.⁵⁰⁾ Variieren der Mikrogelkonzentration und Flussbedingungen lieferte verschiedene Formen, von hohlen Kolloidosomen bis zu dichten Suprakugeln, die pH-gesteuert zerfallen. Diese Arbeit zeigt, wie vielseitig Mikrogel-Assemblierung ist und dass sich komplexe, stimuli-responsive Strukturen mit kontrollierten Formen jenseits traditioneller Geometrien schaffen lassen.

Appelhans und sein Team untersuchten die Membranisierung bei Coacervaten. Durch ständiges Zufügen anionischer terpolymerbasierter Nanopartikel zu Coacervat-Mikrotropfen entstanden membranisierte Vesikel (Abbildung 10).⁴⁵⁾ Der Mechanismus beruht auf einem Ladungsausgleich an der Coacervatoberfläche, wo anionische Partikel an kationischen Polyelektrolyt binden. Das führt zur Membranbildung und Reduktion der Coacervatmatrix. Dabei bilden sich biomimetische Strukturen.

Belluati, Dhiman und Team nutzten Coacervate, um enzymatische Reaktionsnetzwerke zu entwickeln. Sie steuerten den Auf- und Abbau transienter Coacervate durch enzymatische Reaktionen.⁵¹⁾ Dies ermöglichte, dynamische Materialphasen und temporäre Polymerzustände herzustellen, was für energiegestützte Systeme und adaptive Materialien in der Polymerwissenschaft interessant ist.

Walther und Dúzs stellten Materialien her, die autonomes, lebensähnliches mechano-adaptives Verhalten zeigten, indem sie nichtlineare chemische Schaltkreise und Metamaterialelemente in Hydrogele einbetteten.⁴⁶⁾ Ihr Design erkennt lokale mechanische Reize durch eine Metamaterial-Sensorik-Einheit. Diese verarbeitet die Signale chemisch über Reaktions-Diffusions-Mechanismen weiter und löst schließlich eine globale Formanpassung oder Selbstverstärkung aus.

Auch Sommers Gruppe beschäftigte sich mit mechanischen Reizen. Sie integrierte molekulare Donor-Akzeptor-Torsionsfedern in Polymere, um mechanische Kräfte in Echtzeit zu messen. Zusätzlich ermöglichten Spiropyraneinheiten, die Ergebnisse zu kalibrieren. Die Gruppe demonstrierte das Konzept für glasartige, verschlaufte Polymere und für Elastomere.

Koschek und ihr Team untersuchten die Mechanismen hinter dem vitrimeren Verhalten von Poly(Benzoxazin/Amin)-Netzwerken; dabei identifizierten sie eine Amin-Austauschreaktion aminoalkylierter Phenole als Schlüsselschritt.⁵²⁾ Wie sie zeigten, reagieren primäre und sekundäre Amine in einer nukleophilen Substitutionsreaktion mit methylenverbrückten Elektrophilen, was dynamische Bindungsaustauschreaktionen auslöst. Diese Eigenschaften unterstreichen, dass sich benzoxazinbasierte Polymere für wiederverwertbare Materialien eignen.

Schmalz und sein Team prüften, wie gut patch-artig oberflächenkompartimentierte Mizellen als Phasenvermittler in Polymerblends funktionieren.⁵³⁾ Eine Methode, um solche sphärischen Mizellen mit einer Poly(Styren)/Poly(tert-Butyl-Methacrylat)(PS/PtBMA)-Corona herzustellen, ist die Stereokomplex-getriebene Selbstassemblierung von Diblockcopolymeren mit enantiomeren Poly(Lactid)-Blöcken. Diese Mizellen erwiesen sich als effiziente Phasenvermittler in unverträglichen PS/PtBMA-Blends.

Polymere in Biologie und Medizin

Wichtig für die Biomedizin waren makromolekulare Systeme, die gezielt mit biologischen Membranen interagieren, beispielsweise Säugerzellen^54,55) oder Bakterien.⁵⁶⁾ Polymersysteme wurden auch eingesetzt, um Fibrose,⁵⁷⁾ entzündliche Darmerkrankungen⁵⁸⁾ und Krebserkrankungen^59,60) zu therapieren.

Die Gruppe um Leiske entwickelte aminosäurebasierte Poly(Carboxylate), die sie durch RAFT-Polymerisation von Poly(Pentafluorophenylacrylat) herstellt und nachträglich modifiziert.⁵⁴⁾ So synthetisierten die Forschenden anionische Poly(Acrylamide), deren Hydrophobizität angepasst werden kann und die abhängig von dieser Eigenschaft in Zellmembranen akkumulieren.

Elter und Hruby beschäftigten sich mit der Verwendung makromolekularer Bausteine in der Festphasensynthese.⁵⁵⁾ Sie addierten alternierend Bromessigsäure und ein amino-endfunktionales Polymer, um peptidartige Strukturen herzustellen, die Polymer-N-substituierten Polyglycinen gleichen. Poly(Ethylenglycol) oder Poly(Ethyloxazolin) dienten als polymere Bausteine, und durch Einbringen hydrophober Anker wurde die Interaktion mit Zellmembranen gesteuert.

Auch die Gruppe um Hartlieb beschäftigte sich mit der Synthese und Untersuchung membranaktiver Polymere. Sie stellte antimikrobielle Flaschenbürstenstrukturen über One-pot-RAFT-Polymerisation her (Abbildung 11).⁵⁶⁾ Indem sie das Seitenverhältnis der Polymere – Verhältnis Seitenketten zu Rückgratlänge – variierten, beeinflussten die Forschenden Amphiphilie und biologische Aktivität der Polymere. Wie sie herausfanden, wirken Polymere mit langen, mobilen Seitenketten am stärksten antimikrobiell.

Nuhn und sein Team entwickelten neue aminreaktive Poly(Methacrylamide).⁶¹⁾ An deren 2-Propionyl-3-Methyl-Maleinsäureanhydrid-Seitenketten binden sich primäre Amine irreversibel und sekundäre reversibel. Sekundäre Amine werden in sauren Kompartimenten intrazellulär freigesetzt, was bei cholesterinendgruppen-funktionalisierten Polymeren zu einer gezielten, lymphknotengesteuerten Freisetzung von Immunaktivatoren in vivo führt.⁵⁹⁾

Merkel, Adams und ihr Team entwickelten Polymere für den Gentransport.⁵⁷⁾ Sie fügten mit Poly(N-Acryloxysuccinimid) Spermidin-Seitengruppen ein und machten die Systeme per Copolymerisation mit Decylacrylat hydrophober. Die Polymere komplexierten siRNA und transportierten diese in Lungenzellen und Gewebe, etwa zur Behandlung von Fibrose.

Die Arbeitsgruppe Brendel zeigte bei entzündlichen Darmerkrankungen, dass die Form von Polymernanostrukturen entscheidend für zielgerichtete Therapien ist. An Proben menschlichen Darmgewebes wiesen die Forschenden nach, dass wurmartige Polymermizellen – im Gegensatz zu sphärischen Mizellen aus demselben Blockcopolymer – selektiv in entzündetes Gewebe eindringen und gezielt von Immunzellen aufgenommen werden.⁶²⁾ Wie sie in einer weiteren Studie belegten, unterdrücken wurmartige Polymermizellen, beladen mit dem Kortikosteroid Beclometason, entzündliche Immunreaktionen in aktivierten Monozyten. Diese Ergebnisse wecken Hoffnung auf selektive und nebenwirkungsarme Therapien gegen entzündliche Darmerkrankungen.⁵⁸⁾

Wang und Team entwickelten injizierbare mechanophore Partikel mit einer Kern-Schale-Struktur.⁶⁰⁾ Der Kern besteht aus Silicium, die Schale aus Polymeren mit Azo-Einheiten, die unter mechanischer Belastung durch Ultraschall reaktive Sauerstoffspezies freisetzen. Diese Partikel bewährten sich in vitro und in vivo bei der Sonotherapie von Krebserkrankungen.

Drei Fragen an den Autor: Matthias Hartlieb

Was würden Sie gerne entdecken oder herausfinden?

Ich würde unheimlich gern genau wissen, wie Polymere molekular mit Biomembranen interagieren und wie das mit der Polymerstruktur zusammenhängt.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Photo-induzierte radikalische Polymerisation zur Herstellung von Polymeren mit komplexer Topologie als Biomaterialien gegen Bakterien und zum Gentransport.

Welche Methode wurde in den letzten zwölf Monaten vermehrt genutzt, die auch Sie für Ihre Forschung brauchen?

Machine Learning ist auf dem Vormarsch und wird sicher auch für uns relevant werden. Ein Fokus auf größere Datensets nach Fair-Prinzipien wird wichtig.

Matthias Hartlieb leitet seit 2021 die Emmy-Noether-Gruppe Polymere Biomaterialien an der Universität Potsdam. Nach Promotion 2015 in Jena und zweijährigem Postdoc-Aufenthalt an der Universität Potsdam kam er 2019 als Open-Topic-Postdoc nach Potsdam. Seine Gruppe entwickelt antimikrobielle Polymere und untersucht lichtinduzierte Polymerisationen. Den Trendbericht hat er als Reimund-Stadler-Preisträger 2024 geschrieben. Die Fragen hat der Autor aus einem redaktionell erstellten Katalog gewählt.

• ¹ S. Schüttner, Y. Lu, H. Frey, G. W. Coates, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202413643
• ² P. Probst, J. Groos, D. Wang et al., J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 8435–8446
• ³ P. Weingarten, F. Adams, ACS Macro Lett. 2024, 13, 1318–1324
• ⁴ C. Gallizioli, D. Battke, H. Schlaad, P. Deglmann, A. J. Plajer, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202319810
• ⁵ S. Aydonat, D. Campagna, S. Kumar et al., J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 32117–32123
• ⁶ L. Hub, J. Koll, M. Held, M. Radjabian, V. Abetz, Macromolecules 2024, 57, 2273–2286
• ⁷ H. B. D. Tran, C. Vazquez-Martel, S. O. Catt et al., Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2315238
• ⁸ A. Zika, M. Agarwal, W. Zika et al., Nanoscale 2024, 16, 923–940
• ⁹ T. Ceper, D. Costabel, D. Kowalczyk, K. Peneva, F. H. Schacher, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 24796–24805
• ¹⁰ Z. G. Coban, C. Esen, B. Kumru et al., Macromolecules 2024, 57, 4508–4515
• ¹¹ Q. Thijssen, J. A. Carroll, F. Feist et al., Mater. Horiz. 2024, 11, 6184–6191
• ¹² J. Gluns, L. Zhao, D. Spiehl et al., Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2405511
• ¹³ M. Vigogne, C. Zschech, M. Stommel, J. Thiele, I. Kühnert, Macromol. Mater. Eng. 2024, 309, 2400210
• ¹⁴ Y. Wang, A. M. Bimmermann, M. Neufurth, P. Besenius, Adv. Mater. 2024, 36, 2313270
• ¹⁵ H. Chen, M. Schumacher, A. Ianiro et al., J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 14776–14784
• ¹⁶ Y. Liu, T. Knaus, Z. Wei et al., Adv. Mater. 2024, 36, 2409592
• ¹⁷ D. Marlina, Y. Müllers, U. Glebe, M. U. Kumke, RSC Adv. 2024, 14, 14091–14099
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