Polysaccharid-modifizierte Silikongrenzflächen

Die Bezeichnung Silikone steht für eine Gruppe von Polymeren, die aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften eine große Bedeutung in Forschung und Wirtschaft spielen. Das Repertoire an Produkten ist sehr breit und Silikone haben längst Einzug in unseren Alltag erhalten. Ihr Anwendungsgebiet reicht von Anti-Graffiti Beschichtungen über Haarspülungen bis hin zu Biomaterialien wie beispielsweise Herzschrittmacher, Drainage-Implantaten, Kontaktlinsen oder Katheter. Trotz der stark verbreiteten Verwendung von Silikonen treten oftmals immer noch einige Schwierigkeiten auf. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Silikone in Kontakt mit Bakterien, Zellen oder Proteinen kommen. Katheter beispielsweise setzten den Patienten immer einem bestimmten Infektionsrisiko aus, da Bakterien über den Kontakt mit der Haut aufgenommen und in den Körper transportiert werden können. Dieses Problem kann durch eine bakterienhemmende Beschichtung des Silikonkatheters gelöst werden. Eine weitere Problematik stellen die schlechten Gleiteigenschaften der Silikonimplantate dar. Gute Gleiteigenschaften sind sowohl für die Einführung als auch für das Entfernen von medizinischen Produkten in oder aus dem Körper vorteilhaft, da dies nicht nur den Schmerz für den Patienten reduzieren, sondern auch die Gefahr von Gewebeschäden minimieren würde. Auch diese Eigenschaft kann durch eine geeignete Beschichtung, die eine große Affinität zur Absorption von Wasser hat, signifikant verbessert werden. Polysaccharide stellen dafür eine äußerst interessante Materialklasse dar. In diesem Projekt werden wir uns auf zwei Hypothesen konzentrieren: (i) Polysaccharide verleihen einer Silikonoberfläche dauerhaft gute Gleiteigenschaften und (ii) ausgewählte Silikonoberflächen, die mit Polysacchariden beschichtet sind, können das Wachstum von Bakterien hemmen. Der innovative Aspekt und eine der größten Herausforderungen dieses Projektes ist die beiden unterschiedlichen Materialklassen der Silikone und die der Polysaccharide miteinander zu verbinden. Silikone sind unlöslich in Wasser und haben wasserabweisende Eigenschaften, während Polysaccharide quellen und große Mengen an Wasser aufnehmen können. Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt auf der Entwicklung von Methoden diese beiden Materialklassen trotzdem zu kombinieren. Es werden zwei unterschiedliche Wege verfolgt: a) eine dauerhafte Anbindung der Polysaccharide an die Silikonoberfläche durch kovalente Wechselwirkungen und b) eine Verknüpfung durch eine schwächere, reversible Bindungssituation. Letzteres ermöglicht den Austausch von Polysacchariden auf der Oberfläche, wodurch nicht nur die physikalischen Eigenschaften des Endmaterials, sondern auch die Wechselwirkung mit biologischen Komponenten gezielt eingestellt werden können. Dieses Thema wurde in der Literatur bislang noch nicht behandelt. Jeder Wissensgewinn auf diesem Gebiet wird relevant für die weitere Entwicklung von silikonbasierten Materialien sein. Nach erfolgreichem Abschluss des Projekts werden wir in der Lage sein, den Einfluss von Polysacchariden auf die wasserabweisenden Eigenschaften der Silikone und deren biologischen Eigenschaften besser verstehen und vorhersagen zu können.

Silikone sind eines der bedeutendsten Materialien unseres täglichen Lebens. Ihre Einsatzgebiete reichen von Dichtungen und Kochutensilien über medizinische Produkte bis hin zu thermischen und elektrischen Isolationsmaterialien. Silikone sind per se wasserabweisend. Eine wasseraufquellende, gleitende Oberfläche ist allerdings in vielen Anwendungen wünschenswert, wenn nicht sogar erforderlich. Trotz der enormen Beliebtheit und Bedeutung von Silikonen, besteht ein Mangel an nachhaltigen Möglichkeiten um die Affinität der Silikone für Wasser, wodurch eine Gleitschicht ausgebildet werden kann, zu erhöhen. Ziel dieses FWF Schrödinger Projekts war, einen einfachen und nachhaltigen Ansatz zu finden, um hydrophile (wasserliebende) Verbindungen an hydrophobe (wasserabweisende) Silikone zu binden um damit, wie oben beschrieben, deren Affinität zu Wasser zu erhöhen. Zusätzlich solllten die Eigenschaften dieser neuartigen Verbindungen untersucht werden. Die durchgeführten Studien zeigten, dass Zucker geeignete Verbindungen für das Erreichen dieses Ziels darstellen. Es wurde ein einfacher Weg für deren permanente Anbindung an Silikonketten unter milden Reaktionsbedingungen und in nicht toxischen Lösemitteln entwickelt. Die hergestellten Silikone konnten nach der Anbindung von Zucker Wasser absorbieren und in wässrigen Lösungen eine Gleitschicht ausbilden. Darüber hinaus zeigten die Reaktionsprodukte ein Verhalten, das äußerst untypisch für Silikone ist. So reagierten die hergestellten Zuckersilikone beispielsweise auf externe Reize wie mechanische Scherung oder auf die Ausübung von Druck, indem sie sich von einer Flüssigkeit in ein gummiartiges Material umwandelten. Dies bedeutet, dass die Zuckersilikone im Ruhezustand flüssig sind, aber einen gummiartigen Zustand einnehmen, wenn sie mit hohen Geschwindigkeiten gerührt oder komprimiert werden. Dieser Übergang einer Flüssigkeit in ein gummiartiges Material, bekannt unter viskoelastischem Materialverhalten, ist äußerst selten und von hoher Bedeutung für Anwendungen, in denen sowohl die Flexibilität einer Flüssigkeit, aber auch die energiedämpfenden Eigenschaften von gummiartigen Materialien benötigt werden. Ein typisches Beispiel sind schusssichere Westen für den Personenschutz. Faktoren, mit denen diese Transformation kontrolliert und eingestellt werden kann, wurden in diesem Projekt ebenfalls untersucht. Neben der Temperatur und dem Verhältnis von Zucker zu Silikon, beeinflusst auch die Zugabe unterschiedlicher Lösemittel die notwendige Scherungsrate und Kraft um den beschriebenen Übergang zu initiieren. Zusätzlich können damit Zuckersilikone hergestellt werden, die entweder die gesamte auf sie ausgeübte Kraft absorbieren oder Teile davon wieder abgeben können. Die erhaltenen Ergebnisse ermöglichen somit, die energieabsorbierenden Eigenschaften von Zuckersilikonen maßgeschneidert auf die jeweilige Anwendung anzupassen.