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Ohne chemische UV-Filter wäre jede moderne Sonnencreme nutzlos. Als Bestandteil der Creme auf die Haut aufgetragen, absorbieren diese Moleküle UV-Strahlung, wandeln sie in Wärme um und schützen so vor Sonnenbrand und Hautkrebs.
Die meisten UV-Filter enthalten Phenylringe oder andere aromatische π-Systeme (Abbi1dung 2). Ihre chemische Struktur entscheidet darüber, in welchem Wellenlängenbereich sie absorbieren: Je größer das π-System, desto geringer die Energie, um in den angeregten Zustand zu kommen und desto langwelliger die Strahlung, die sie herausfiltern.


<h2>Die Struktur macht die Absorption</h2>
UV-B-Filter, die Licht der Wellenlänge 290 bis 320 nm absorbieren, waren früher relativ einfache Moleküle im Vergleich zu UV-A-Filtern, die langwelligeres Licht von 320 bis 400 nm abfangen. Titandioxid ist ein bekanntes Beispiel für einen UV-B-Filter.
Als die ersten Sonnencremes in den 1950er Jahren auf den Markt kamen, enthielten sie nur UV-B-Filter, denn UV-B-Strahlung löst Sonnenbrand aus. Die Gefahr von Langzeitschäden durch UV-A-Strahlung erkannte man erst Jahrzehnte später. UV-A-Strahlung beschleunigt die Hautalterung und ist mitverantwortlich für Hautkrebs. Da sie langwelliger ist, dringt sie sogar noch tiefer in die Haut ein als UV-B-Strahlung.
 “UV-A-Filter sind komplizierter, größer und schlechter löslich”, sagt Uli Osterwalder, Chemiker und Senior Marketing Manager für Sonnenpflegemittel bei BASF. In den 1980er Jahren kam die erste für Sonnenschutzmittel verfügbare UV-A-Lichtschutzfiltersubstanz auf den Markt: Butylmethoxydibenzoylmethan (BMBM, Abbildung 2b).
Breitbandfilter, beispielsweise Bisethylhexyloxyphenolmethoxyphenyltriazin (BEMT, Abbildung 2d), absorbieren über einen breiten Wellenlängenbereich sowohl UV-A- als auch UV-B-Strahlung. Sie absorbieren gleichmäßiger über ein großes Wellenlängenspektrum, ohne herausragendes Absorptionsmaximum.
“Eine gute Sonnencreme enthält niemals nur einen Filter, sondern ist eine gut aufeinander abgestimmte Kombination aus mehreren UV-absorbierenden Substanzen”, sagt Osterwalder.


<h2>Partikelweise</h2>
UV-Filter müssen nicht unbedingt organische Moleküle sein, wie der Erfolg des anorganischen Titandioxids zeigt. TiO2 ist allerdings unlöslich, weshalb es als Partikel von etwa 100 nm Größe eingesetzt wird. Die Partikelgröße bestimmt die Größe der Bandlücke und damit die Wellenlänge, bei der die Substanz Licht absorbiert. Die Vermutung, dass Titandioxid gar keine UV-Strahlung absorbiert, sondern wie kleine Spiegelchen hauptsächlich Licht streut und so die Haut schützt, ist inzwischen überholt. TiO2 streut aber tatsächlich, nämlich im sichtbaren Licht, daher wirkt die Haut nach dem Eincremen weißlich.
Der neueste Filter auf dem Markt ist Trisbiphenyltriazin (TBPT, Abbildung 2e), es wurde im August 2014 in der EU zugelassen. Die flachen Moleküle stapeln sich aufgrund intermolekularer Wechselwirkungen übereinander. Es absorbiert im UV-B und in einem Teil des UV-A-Bereichs. Durch die starken intermolekularen Wechselwirkungen ist es komplett unlöslich und lässt sich nur in Partikelform in Sonnencreme einbringen. TBPT ist auch als Nanopartikel zugelassen. Nanopartikel sind per Definition kleiner als 100 nm.


<h2>Sehr gut, aber noch nicht perfekt</h2>
Auch wenn die modernen UV-Filter bereits sehr gut sind — “verbessern lässt sich noch etwas”, sagt Osterwalder, denn “man kann bis jetzt noch nicht den ganzen UV-Bereich abdecken. Wir wollen noch die letzte Lücke kurz vor 400 nm, also zum Sichtbaren hin schließen.” Selbst sichtbares, blaues Licht von 400 bis 450 nm kann die Haut schädigen. Gerade in diesem Wellenlängenbereich besteht aber die Gefahr, dass die Creme die Haut farbig macht, weil der Filter auch im Sichtbaren absorbiert.
Außerdem sind laut Osterwalder noch nicht alle Filter komplett photostabil, das heißt, manche zersetzen sich langsam in der Sonne, beispielsweise Butylmethoxydibenzoylmethan. Vor allem aber “braucht man noch zu große Mengen.” Mit weniger Substanz den gleichen Effekt zu erzielen, daran arbeitet die Sonnencremeforschung. Das würde die Formulierung der Creme erleichtern. Bei einer Sonnencreme mit Lichtschutzfaktor 30 machen die UV-Filter derzeit bis zu 20 Prozent aus (Abbildung 3, S. 896).


<h2>Problemzone USA</h2>
In der EU sind derzeit 28 UV-Filter für Sonnencremes zugelassen.1 In den USA sind es nur 17. Im Jahr 1999 wurde dort das letzte Mal ein Filter registriert. Die US-amerikanische Lebensmittelüberwachungs- und Arzneimittelzulassungsbehörde (Food and Drug Administration, FDA) blockiert die Zulassung aller neueren UV-Filter: Acht Substanzen stehen derzeit auf der Warteliste. In Europa sind Sonnencremes als Kosmetika reguliert, in den USA als Medikamente. Die neuen Substanzen scheinen der FDA nicht sicher genug zu sein. Obwohl die neuen UV-Filter seit vielen Jahren in Europa und Australien auf dem Markt sind, fordert die FDA stets weitere Tests. Sonnencremeexperten weltweit schütteln den Kopf. Für Osterwalder ist es “wirklich erstaunlich und wir staunen immer wieder”. In den USA nicht zugelassen, aber in Europa wohl sind beispielsweise Diethylhexylbutamidotriazon (DBT, Abbildung 2f) und der Breitspektrumfilter BEMT (Abbildung 2d).
Das Nachsehen hätten alle Menschen, die in den USA leben und dort ihre Sonnencreme kaufen, sagt Chemiker John Staton in Sydney. Sie haben “im Kampf gegen Sonne und Hautkrebs nicht die beste Munition”. Statons Labor Dermatest testet für Kunden weltweit Sonnencremes. Seit dem Jahr 2000 seien die UV-Filter im Rest der Welt sehr viel besser geworden, sagt er, vor allem bei der Absorption im UV-A-Bereich. US-amerikanische Sonnencremes sind daher “nicht auf dem neusten Stand der Technik”.
Hautärzte, Gesundheitsorganisationen, Sonnencrememittelhersteller und besorgte Bürger haben sich zusammengeschlossen, um die FDA dazu zu bringen, endlich neue UV-Filter zuzulassen. Sie nennen sich Public Access to Sunscreens (Pass) Coalition.2 Ihr strategischer Berater Michael Werner von der Anwaltskanzlei Holland and Knight in Washington DC schrieb im November 2014 in Nature, dass die FDA endlich “die bekannten Risiken von Hautkrebs in Betracht ziehen und die Vorteile von Sonnenschutz gegen die potenziellen Gefahren abwägen sollte”.3
Unterstützung bekam die Pass Coalition von den US-Gesetzgebern: Der Sunscreen Innovation Act von 2014 verpflichtet die FDA dazu, die Registrierungsanträge für neue UV-Filter in Zukunft schneller zu bearbeiten.4


<h2>Angenehm muss die Creme sein</h2>
Von den USA abgesehen, unterscheiden sich die Sonnencremes weltweit in ihren Inhaltsstoffen nur wenig. Ob teuer oder billig, solange sie den gültigen Gesetzen genügen, schützen sie den Käufer ausreichend vor Sonnenstrahlung — dessen ist sich Michael Kimlin sicher. Er leitet das australische Forschungslabor Aus Sun an der Queensland University of Technology in Brisbane.
Das Problem ist eher: Was nützt die beste Sonnencreme, wenn sie im Schrank liegt? “Viele Studien haben gezeigt, dass nicht so sehr die Qualität der UV-Filter in der Sonnencreme darüber entscheidet, wie gut eine Sonnencreme schützt”, sagt Kimlin. “Das wichtigste Kriterium ist, wie gut sie sich auf der Haut anfühlt.” Daher geht ein Großteil der heutigen Sonnencremeforschung dahin, die Käufer dazu zu bringen, die Creme auch tatsächlich aufzutragen — und zwar in ausreichender Menge.
“Die perfekte Sonnencreme fühlt sich leicht an, riecht gut und ist so einfach aufzutragen wie eine Feuchtigkeitscreme”, sagt Wladimir Budnik von Skin Health in Melbourne (Abbildung 4). Das Unternehmen fertigt Sonnencremes an und vermarktet sie für die australische Krebsgesellschaft Cancer Council Australia. “Wir sind schon fast da, aber noch nicht ganz”, sagt Budnik. Denn Sonnencremes sind aufgrund der großen Menge UV-Filter sehr viel schwieriger zu formulieren als gewöhnliche Feuchtigkeitscremes.
Gerade in Australien beschäftigt die Frage, wie sich eine Sonnencreme angenehm machen lässt, die Gesundheitsorganisationen und die Sonnencremeentwickler. In Down Under ist die UV-Strahlung viel höher als in anderen Teilen der Welt. In Australien erkranken jedes Jahr pro eine Million Einwohner 349 Menschen an schwarzem Hautkrebs — Tendenz steigend. In Deutschland sind es 114 Fälle pro Million Einwohner. Morgens Zähneputzen, Haare kämmen und dann Sonnencreme auftragen — das würden die australischen Krebsgesellschaften am liebsten sehen.


<h2>Gut formuliert</h2>
Sonnencremes sind Emulsionen, in Europa meist Öl-in-Wasser-Emulsionen, so wie Kuhmilch, daher sind sie auch undurchsichtig weiß. Im Gegensatz zur Milch beträgt die Ölphase aber 30 Prozent oder mehr, denn in der Ölphase sind die UV-Filter gelöst. Erst die richtige Formulierung macht aus diesem Gemisch eine angenehm aufzutragende Creme. Formulieren allerdings ist laut Osterwalder “eine Kunst für sich.”
Die Formulierung entscheidet darüber, wie fettig eine Creme ist, wie gut sie sich verreiben lässt und wie schnell sie einzieht. “In Zukunft werden sich die Filter gar nicht mehr so viel verändern, denn die jetzigen leisten gute Arbeit”, sagt Budnik. “Aber ich bin mir sicher, es wird neue Emollienzien und neue Filmbildner geben, die Sonnencremes besser machen.”
Auch neue Auftragungsmöglichkeiten sollen die Käufer dazu bringen, die Sonnencreme häufig zu benutzen. “Wir sind zu viert in der Familie und haben vier verschiedene Sonnencremes, denn jeder von uns mag eine andere am liebsten”, sagt Kimlin. Inzwischen gibt es nicht nur die klassische Milch aus der Flasche, sondern auch Sprays und Roll-on-Stifte in allen möglichen Ausführungen. Die im Regal neu aufgetauchten Clear Sprays sind farblos und basieren nur auf Öl und Alkohol.


<h2>Die Zahl auf der Tube</h2>
Der Lichtschutzfaktor LSF gibt an, wie viel länger man sich mit einem Sonnenschutzmittel der Sonne aussetzen kann, ohne einen Sonnenbrand zu bekommen, als das mit der Eigenschutzzeit der Haut möglich wäre. Errechnet wird der LSF nach: UV-Dosis mit Sonnenschutz / UV-Dosis ohne Sonnenschutz.
Indirekt gibt die Zahl an, wie viel UV-Strahlung trotz Sonnencreme noch auf die Haut gelangt. Eine Sonnencreme mit dem Lichtschutzfaktor 15 lässt noch 6,6 Prozent der UV-Strahlung durch, eine mit LSF 30 noch 3,3 Prozent.
In Europa sind Lichtschutzfaktoren von 10 bis 50 üblich, in Australien allerdings ist inzwischen 50+ Standard. Hier gibt es Sonnencreme mit einem Lichtschutzfaktor kleiner als 30 gar nicht mehr im Laden zu kaufen.
Theoretisch ließe sich auch eine Sonnencreme mit Lichtschutzfaktor 100 herstellen, aber die Bezeichnung wäre irreführend: Eine Creme lässt sich gar nicht so gleichmäßig auftragen, dass überall dieser Schutz gewährleistet ist. Die Bezeichnung “Sunblocker” wiederum ist inzwischen auf Sonnencremeflaschen verboten, denn einen Teil der UV-Strahlung lässt jede Sonnencreme durch.
Labors wie das von John Staton messen den Lichtschutzfaktor in vivo am Rücken von Versuchspersonen. Das Labor bestrahlt eingecremte und nicht eingecremte Haut des Probanden mit UV-Licht. Die Dauer der Bestrahlung variiert von Hautpartie zu Hautpartie. 16 bis 24 Stunden später bestimmt das Labor anhand der aufgetretenen Hautrötung, wie viel länger der Proband dem UV-Licht mit Sonnencreme ausgesetzt sein kann, ohne Schaden zu nehmen, und errechnet daraus den LSF.
Da nur UV-B-Strahlung Sonnenbrand und Hautrötung auslöst, bezieht sich der LSF nur auf UV-B-Strahlung. Der UV-A-Schutz wird separat in vitro gemessen: Das Labor bestrahlt Polymethylmethacrylat-Plättchen mit UV-A-Licht und misst die Absorption. Der UV-A-Schutz einer Sonnencreme kann viel geringer sein als der UV-B-Schutz, den der LSF ausweist.


<h2>Vier Stunden surfen — die Sonnencreme hält</h2>
Beim Sonnenschutz sind europäische Sonnencremes inzwischen auf demselben Stand wie australische. Es gibt nur einen großen Unterschied: die Wasserfestigkeit.
Eine Sonnencreme wird wasserfest durch Polymere wie das Acrylat-Polytrimethylsiloxymethylacrylat-Copolymer. Solche Polymere bilden einen Film und schirmen die eingeölte Haut mit den UV-absorbierenden Substanzen gegen Wasser ab.
Der LSF einer Sonnencreme in Europa darf nach 80 Minuten im Wasser auf die Hälfte gefallen sein, sprich LSF 30 darf sich auf 15 verringert haben. Dann lässt sich dieses Produkt immer noch als Creme mit LSF 30 auf den Markt bringen. Australien hat viel härtere Regeln: Auch nach vier Stunden im Wasser darf der Lichtschutzfaktor nicht gesunken sein. John Staton testet das in seinem Labor in Sydney mit Whirlpools, in denen Versuchspersonen vier Stunden im strömenden Wasser liegen (Abbildung 6).
Den Unterschied erklärt Budnik so: “Australier lieben das Wasser. Wenn wir nicht am Strand sind, schwimmen wir in Flüssen oder in Swimmingpools. Daher ist bei uns eine hochwasserfeste Sonnencreme besonders wichtig.”
Die promovierte Chemikerin Brigitte Osterath arbeitet als freie Wissenschaftsjournalistin in Bonn. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.writingscience.de" target="_blank">www.writingscience.de</a></ext-link>


<h2>QUERGELESEN</h2>
Moleküle mit π-Bindungen absorbieren UV-Strahlung. Eine Sonnencreme enthält stets mehrere solcher UV-Filter.
In den USA kam das letzte Mal im Jahr 1999 ein neuer UV-Filter auf den Markt. Allen anderen Substanzen verwehrt die Food and Drug Administration die Zulassung.
Wirklich wirksam ist nur eine Sonnencreme, die gefällt: Nur sie wird tatsächlich aufgetragen.



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1 

Liste aller in der EU zugelassenen UV-Filter: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://tinyurl.com/ne5pf78" target="_blank">tinyurl.com/ne5pf78</a></ext-link>.
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<li>
2 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.passcoalition.com" target="_blank">www.passcoalition.com</a></ext-link>.
</li>
<li>
3 


M. Werner, 
<source>Nature, 
2014, 
515, 
126, doi:10.1038/515S126a.

</li>
<li>
4 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.congress.gov/bill/113th-congress/house-bill/4250" target="_blank">https://www.congress.gov/bill/113th-congress/house-bill/4250</a></ext-link>.
</li>
<li>
5 


U. Osterwalder, 
M. Sohn, 
B. Herzog, 
<source>Photodermatol. Photoimmunol. Photomed., 
2014, 
30, 62. doi:10.1111/phpp.12112.

</li>
<li>
6a 


Zum Weiterlesen:

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<li>
6 


H. Langhals, 
K. Fuchs, 
<source>Chem. Unserer Zeit, 
2004, 
38, 98. doi: 10.1002/ciuz.200400293.

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</ul>

Artikel

Wie Chemie vor Hautkrebs schützt

Ohne chemische UV-Filter wäre jede moderne Sonnencreme nutzlos. Als Bestandteil der Creme auf die Haut aufgetragen, absorbieren diese Moleküle UV-Strahlung, wandeln sie in Wärme um und schützen so vor Sonnenbrand und Hautkrebs. Die meisten UV-Filter enthalten Phenylringe oder andere aromatische...

Viele niedermolekulare Verbindungen bilden durch gerichtete, nichtkovalente Kräfte hierarchische Strukturen — makroskopisch ist das an selbstbildenden viskoelastischen Gelen erkennbar. Solche Materialien eignen sich für Hightech-Anwendungen und — wegen der im Gel begrenzten Mikroumgebung — als Reaktionsgefäß und/oder Nanoreaktor.1,2 Allerdings ist es nötig, ein klares Bild der konkurrierenden molekularen Prozesse im Gel zu gewinnen, um effizientere Gelmaterialen mit geringeren Kosten zu entwickeln und herzustellen. In den letzten Jahren hat unsere Forschungsgruppe funktionelle Gele mit kontrollierter Phasenumwandlung hergestellt und angewendet. Wir haben auch neue und einfache Strategien für eine regulierte Selbstorganisation von niedermolekularen Bildungsblöcken entwickelt.


<h2>Dynamisches Gleichgewicht: Gelbildung, Kristallisation und Lösen</h2>
Ein feines Gleichgewicht zwischen Kristallisation und Solubilisierung ist wichtig, um dreidimensionale Gelnetzwerke herzustellen. Nach der Gleichgewichtskinetik ist die stabile thermodynamische Phase kristallin, die Gelphase hingegen kinetisch metastabil. Wir haben dieses Konkurrenzverhalten der Phasen beispielhaft an einem Multikomponenten-Gelator-System beschrieben. Dieses System basiert auf (1R,2R)-1,2-diaminocyclohexan-L-tartrat und Chlorwasserstoffsäure; es bevorzugt die temporäre Bildung eines Organogels gegenüber der thermodynamischen Bildung von (1R,2R)-1,2-diaminocyclohexandihydrochlorid.3,4
Ein weiteres gutes Beispiel ist 5-(1,2,4-triazolyl)isophthalsäure mit einem CaII-Salz, welches das Phasenverhalten durch die Zusammensetzung des Lösungsmittelgemischs kontrollieren kann.5
Durch die kontrollierte Einstellung der dynamischen Phasengleichgewichte entstand eine Reihe neuer supramolekularer Gele mit außergewöhnlichen Eigenschaften.


<h2>Protonenleitende supramolekulare Metallogele</h2>
Wir haben eine Synthese für neue bausteinartige, stimulisensitive und multifunktionale Metallogele entwickelt, die auf der Kombination zwischen zwei käuflichen, günstigen Komponenten basiert: einem CuII-Salz (entweder Cu(ClO4)2·6 H2O oder Cu(OAc)2·H2O) und Oxalsäure als Brückenligand (Abbildung 1).6 Sie gelieren bei Raumtemperatur nach dem Zusammenmischen zweier Stammlösungen der jeweiligen Komponenten bei optimierten Konzentrationen. Das Verfahren ist einfach und ökonomisch, es erlaubt die Herstellung dieser Metallogele auch im Kilogrammmaßstab. Die Gesamtstabilität dieser Art von Gelmaterialen ist Ausdruck eines komplexen Gleichgewichts zwischen thermaler Stabilität der Aggregate, dem Grad der Quervernetzung, elektrostatischen Wechselwirkungen, welche die Gegenionen einschließen, und solvatationsbedingten Wechselwirkungen. Die Haupterkenntnisse sind,
dass Oxalsäure als kleinster organischer Ligand stabile Metallogele bilden kann, 
die erste Darstellung von Protonenleitfähigkeit in molekularen Gelen mit der niedrigsten Aktivierungsenergie (das heißt 0,12 — 0,39 eV) gegenüber metallorganischen Materialien, und 
dass sich verschiedene wasserfreie CuII-Oxalat-Polymorphe aus einem Metallogel unter thermischen Bedingungen gewinnen lassen. Diese Polymorphe sind auch aus dem entsprechenden Xerogel herstellbar und zeigen einen bisher beispiellosen Xerogel-Kristall-Phasenübergang.
Diese Ergebnisse eröffnen eine neue Perspektive für die rationale (Bottom-up-)Entwicklung von Hochtemperatur-protonenleitenden Gelen und anorganischem Kristallengineering.


<h2>Selbstheilende supramolekulare Metallogele</h2>
Die einfache Herstellungsmethode für protonenleitende Metallorganogele lässt sich auch für die Synthese von nichtpolymeren supramolekularen Metallhydrogelen anwenden. Diese Metallhydrogele zeigen einzigartige multisensitive Gel-Sol- und Sol-Gel-Übergänge, aber auch außerordentliche Formbarkeit, Gewichtsbelastbarkeit und ein autonomes Selbstheilungsverhalten.7 Besonders die Kombination von zwei wässrigen Stammlösungen, einem auf <sc>l</sc>-Valin basierten Molekül (<sc>l</sc>-3-Methyl-2-(pyridin-4-yl-methylamino)-butansäure) und Natriumperchlorat als Ligandensystem sowie einem ZnII-Salz (zum Beispiel Zn(OAc)2·2H2O) verhindern die Kristallisation des Metallkomplexes. Stattdessen bildet sich innerhalb von Sekunden bei Raumtemperatur ein stabiles opak-weißes Hydrogel (Abbildung 2). Dieses Hydrogel ist nicht nur multistimulisensitiv, sondern zeigt auch eine schnelle Selbstheilung an Luft bei Raumtemperatur — ohne ein Selbstheilungsagens zusetzen zu müssen. Dies ist außergewöhnlich, da die meisten Metallogele mit Selbstheilungscharakter entweder Organogele sind oder auf folgenden drei Prinzipien basieren: der Bildung von Metallkoordinationspolymeren, auf Polymeren, die Liganden für Metallkomplexierung enthalten, oder auf Wirt-Gast-Polymerwechselwirkungen.


<h2>Lösliche supramolekulare Metallogele</h2>
Wird weiteres Wasser zu den oben beschriebenen Metallogelen hinzugegeben, lösen diese sich unregelmäßig auf. Tauscht man jedoch die Gegenionen aus (pH ≤ 7), führt das zu einer schrittweisen Auflösung (Abbildung 3).8
Dieser außergewöhnliche, weiche Übergang im sauren und neutralen Milieu ist vor allem bei der In-vitro-Freisetzung von pharmakologisch aktiven Molekülen vorteilhaft, die vorher in die Gelmatrix eingebettet wurden. Interessanterweise zeigen diese Hydrogele einen Übergang von opak zu transparent. Dies weist auf ein kinetisches, supramolekulares Gel geringerer Energie hin.
Die transparenten Hydrogele können durch Aufheizen in einem Sol-Gel-Übergang in ihren ursprünglichen opaken Zustand zurückkehren. Es wird angenommen, dass der Sol-Zustand der ursprünglichen Lösung dem vor der erstmaligen Gelbildung entspricht. Die Änderung der Opazität geht einher mit der Bildung neuer Aggregate, die kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind; zudem sinkt das Speichermodul des Materials. Dies bestätigen Elektronenmikroskopie und Rheologie. Das opake Gelphasenintermediat zu isolieren, könnte wichtige Erkenntnisse über den Gelierungsmechanismus liefern.


<h2>Isosterischer Amid-Triazol-Austausch</h2>
Das isosterische Substitutionskonzept — hauptsächlich verwendet in der medizinischen Chemie, um neue bioaktive Moleküle zu planen — kann auch in den Materialwissenschaften nützlich sein.9 In Frage kommen hier zweifach substituierte 1,2,3-Triazole als nichtklassische Amid-Isostere. Abhängig vom jeweiligen Substitutionsmuster der Triazole (1,4- oder 1,5-verknüpft) ahmen sie die trans- oder cis-Konfiguration der Amidbindung nach. Um die Machbarkeit des Konzepts nachzuweisen, fokussierten wir uns auf N-Stearoyl-<sc>l</sc>-Glutaminsäure (C18-Glu); dabei handelt es sich um einen amphiphilen Stoff, der sich in organischen Lösungsmitteln und wässrigen Mischungen in Nanostrukturen anordnet (Abbildung 4). Das analoge Klick-Glu wurde durch eine CuI-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition hergestellt. In dieser Verbindung ist die Amidfunktion durch die 1,4-disubstituierte 1,2,3-Triazol-Einheit ersetzt; dies hält die Zahl an C-Atomen konstant. Im Allgemeinen zeigte die Verbindung Klick-Glu ausgezeichnete Eigenschaften bei der kritischen Gelkonzentration (CGC), bei TGel und bei der mechanischen Stabilität in polar protischen Lösungsmitteln, während C18-Glu bessere Eigenschaften in apolaren Lösungsmitteln aufwies. Rasterelektronenmikroskopie verdeutlichte, dass Xerogele, bestehend aus isosterischen Gelatoren, unterschiedliche Mikro- und Nanostrukturen aufweisen, wenn sie im selben Lösungsmittel hergestellt wurden. Desweiteren zeigten Gasadsorptionsmessungen, dass Materialien aus C18-Glu eine 2,4-fach höhere Porösität aufweisen als die aus dem analogen Klick-Glu (53,4 m2·g—1 und 22,6 m2·g—1). Bemerkenswerterweise macht es die Ähnlichkeit der Strukturen der beiden Gelatoren möglich, stabile Hybridgele in unterschiedlichen Verhältnissen herzustellen. So ließen sich eingeschlossene, pharmakologisch aktive Verbindungen wie Vancomycin kontrolliert freisetzen.
Die unterschiedlichen Molekülstrukturen der Gelatoren führten zu verschiedenen Nanostrukturen der Gele, was sich auch in den Freisetzungsexperimenten und einem antimikrobiellen Test gegen das grampositive Bakterium Staphylococcus aureus widerspiegelte. Dies ist erkennbar an den unterschiedlichen Diffusionseigenschaften des Modellwirkstoffs Vancomycin aus den beiden Gelen.


<h2>Seitenkettenmodifikation von niedermolekularen Peptiden</h2>
Ursprünglich diente die Modifikation des Rückgrats von Peptiden dazu, stimulisensitive Gruppen einzubauen und somit gelbasierte Materialien mit spezifischer Empfindlichkeit herzustellen. Die Aufnahme von Azobenzolresten in die Seitenketten von niedermolekularen Tetrapeptiden reguliert den Selbstorganisationsprozess in organischen Lösungsmitteln. Hitze oder Ultraschall lösen diesen Prozess aus, und es entstehen multistimulisensitive supramolekulare Organogele, die zum Beispiel auf thermische, Photo-, Chemo- oder mechanische Reize reagieren (Abbildung 5).10
Verglichen mit anderen synthetischen Anwendungen bietet diese Methode Vorteile wegen ihrer strukturellen Flexibilität, weil sie mit einem freien, ungeschützten Amino-Terminus kompatibel ist und weil sich an einer beliebigen Position in der Peptidsequenz ein Chromophor anbringen lässt. Studien zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zeigten, dass die Anwesenheit und die Position der Azobenzolreste als vielfältige Regulatoren, die CGC reduzieren sowie die thermische Stabilität und die mechanische Festigkeit der Gele verbessern. Dies zeigte dynamische Rheologie.
Des Weiteren haben NBoc-Schutzgruppen in Peptiden einen spürbaren Effekt auf die Bildung und die sensitiven Eigenschaften der Gele. Interessanterweise gelieren diese Peptide organische Lösungsmittel, jedoch nicht Lösungsmittel-Wasser-Mischungen. Darüber hinaus lassen sie sich zur effektiven Bindung von giftigen Farbstoffen aus Wasserlösungen nutzen.11


<h2>Topologische Veränderungen in den Ionen-Polymeren</h2>
Polyelektrolytische Hydrogele werden häufig in der Biomedizin und in der Lebensmittelindustrie verwendet. Jedoch besteht nach wie vor die Notwendigkeit, die Gelierungseffizienz dieser Polymere zu verbessern, um deren Anwendungsbereich zu vergrößern. Ein Ansatz ist, computerbasierte Berechnungen und Experimente zu kombinieren, um die Gelierungseffizienz zu optimieren. Dazu veränderten wir die Struktur der aromatischen Polymerkerne der Ionene durch Isomerie. Als Modellpolymere dienten (1)—(3) (Abbildung 6), bestehend aus Dabco und N,N"-(x-phenylen)-dibenzamid-Linker (x = ortho / meta / para) ohne Zusatz von oberflächenaktiven Substanzen.12 Simulationen der Moleküldynamik dieser isomeren Ionene mit einer bestimmten Zahl an Wassermolekülen erlaubten es, die Polymer-Wasser- und Polymer-Polymer-Wechselwirkungen zu vergleichen — zum Beispiel H-Brücken, π-π, Kation-π oder Anion-π.
Die topologischen Bedingungen, die vom Substitutionsmuster (ortho, meta oder para) am aromatischen Kern herrühren, haben einen drastischen Einfluss auf die intermolekularen Wechselwirkungen und das Gelverhalten. Beispielsweise fand sich in allen drei Polymersystemen ein hoher Grad an Hydratisierung, jedoch traten Polymer-Polymer-Wechselwirkungen nur bei den ortho- und meta-Ionenen auf.
Die Simulationen unterschiedlicher Zahlen von Monomeren in der Kette ergaben, dass die Kettenlängen keinen großen Einfluss haben. Bei der Charakterisierung zeigte das Polymer (1) die besten Geleigenschaften (geringste CGC, thermische Stabilität, optische Eigenschaften, Selbstheilungsfähigkeit, schnelle Gelierkinetiken und die Fähigkeit Single-wall-Nanotubes (SWNTs) zu dispergieren), in guter Übereinstimmung mit den computergestützten Simulationen. Mit den meta- und para-Ionenen (Polymer (2) und (3)) waren weder optische Transparenz oder Selbstheilung möglich noch SWNTs zu dispergieren.
Dieser Ansatz der topologischen Optimierung lässt sich auch auf andere Gelatoren übertragen, die entweder auf Polymeren oder niedermolekularen Verbindungen basieren, um deren Selbstorganisation zu regulieren und damit Gelnetzwerke mit weniger Defekten und verbesserten Eigenschaften zu generieren.13


<h2>Ausblick</h2>
Phasenübergänge zu verstehen und zu kontrollieren, ist ein aktuelles Thema in der Forschung, da es essenziell für die Herstellung von Hochleistungsmaterialien ist. Die molekularen Abläufe zu verstehen und die Faktoren zu kennen, die das intrinsische Gleichgewicht zwischen Gelierung, Lösen und Kristallisation beeinflussen, erlaubt das rationelle Design von einfachen, skalierbaren und verlässlichen gelbasierten Materialien. Diese zeigen Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Selbstheilungsfähigkeit und kontrollierte Freisetzung. Verknüpft man das Verständnis der Abläufe mit der Realisierung einer kontrollierten Selbstorganisation, lässt sich die Gelierungseffizienz von molekularen Systemen für High-Tech-Anwendungen verbessern.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Gelphasen sind kinetisch metastabil. Phasengleichgewichte einzustellen und Phasenübergänge zu kontrollieren, ist essenziell, um hochleistungsfähige Gele herzustellen.
Neue funktionelle Gele entstehen durch Isosterie, Seitenkettenmodifizierung und Strukturisomerie.
Supramolekulare Metallhydrogele lösen sich bei nichtalkalischem pH schrittweise auf. So könnten sie in vitro pharmakologisch aktive Moleküle freisetzen.


Judith Mayr, Jahrgang 1989, erwarb 2011 ihren Bachelor- und 2013 ihren Masterabschluss in Chemie an der Universität Regensburg. Derzeit promoviert sie unter der Leitung von David Díaz Díaz. Ihr Forschungsinteresse gilt weichen Materialien bei der Freisetzung pharmakologisch aktiver Verbindungen.
Marleen Häring, Jahrgang 1989, erlangte 2013 ihren Bachelor- und 2014 ihren Masterabschluss in Chemie an der Universität Regensburg. Sie promoviert unter der Leitung von David Díaz Díaz. Ihr Forschungsschwerpunkt ist der Selbstheilungsprozess in Gelen und deren Herstellung.
Jana Schiller, Jahrgang 1991, erlangte 2013 ihren Bachelorabschluss in Chemie an der Universität Regensburg. Derzeit fertigt sie ihre Masterarbeit bei David Díaz Díaz an. Ihr Forschungsinteresse liegt bei neuen niedermolekularen Gelatoren.
David Díaz Díaz, Jahrgang 1974, promovierte in Chemie unter der Leitung von Victor S. Martín an der Universität La Laguna in Spanien. 2002 machte er seinen Postdoc am Scripps Research Institute in den USA. 2013 erhielt er eine Heisenberg-Professur der Deutschen Forschungsgemeinschaft und arbeitet seither an der Universität Regensburg. Sein Forschungsinteresse gilt der Entwicklung funktioneller weicher Materialien.



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1 

 
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(2015), doi: 10.1039/C5SM00877H.
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