Licht-getriggerte Polymerdiffusion durch anisotrope Multizonenfilme

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr. Claus Duschl, seit 10/2016; Professorin Dr. Regine von Klitzing
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 201281564

Das Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung eines lichtgeschalteten Wirkstofftransfers in weichen Polymerfilme. Der Polymerfilm ist eine Multilage aus Hyaluronsäure (HA) und Poly(l-Lysin) (PLL). Die PLL-Kette ist mit 28kDa relativ kurz und führt zu einer hohen Kettenbeweglichkeit im Film, was eine hohe Mobilität der Wirkstoffe zur Folge hat. Als Modellsystem für Wirkstoffe werden Proteine und Polyelektrolyte verwendet. Um den Wirkstofftransfer schalten zu können, wird eine Barriere in den Film eingebaut. Sie besteht aus temperatursensitiven PNIPAM Mikrogelen, in die Goldpartikel eingebettet sind. Die Durchlässigkeit der Barriere wird über die Plasmonenanregung durch Einstrahlen von sichtbarem oder Infrarot-Licht geschaltet. Das führt zu lokalem Aufheizen der Gelpartikel. Das Schrumpfen der PNIPAM Mikrogele erzeugt Zwischenräume, durch die die Proteine hindurchwandern können.Während der ersten Förderperiode haben wir fundamentale Aspekte wie Mobilität der Polymerketten im Film, Bildungsmechanismen der HA/PLL Multilagen und das Beladen der Filme mit Proteinen untersucht. Neue Methoden wie Mikrofluidik zur Herstellung der Filme und FRAP mit verbesserter Auflösung zur Messung der Polymerdynamik in den Filmen wurden entwickelt. Der Volumenphasenübergang der Hybrid Au-PNIPAM Mikrogele wurde untersucht, geschaltet durch Temperaturänderungen und durch plasmonische Anregung. Durch plasmonische Anregung konnten 80% des maximalen Volumenverlustes erzeugt werden. Erste Studien haben gezeigt, dass die Barriere unterhalb der Volumenübergangstemperatur (VPTT) den Proteintransport blockiert aber oberhalb der VPTT für Proteine durchlässig ist. Diese Barriere mit Mikrogelen ohne Goldnanopartikel wurde über Temperaturänderung geschaltet.In der zweiten Förderperiode sollen neben sphärischen Goldnanopartikeln, deren Plasmon im Sichtbaren absorbieren, sollen auch Goldnanostäbchen (Plasmonabsorption im IR-Licht) in die PNIPAM-Mikrogele eingebettet werden. Infrarotanregung ist interessant für alle lichtundurchlässigen Medien, wie z.B. die Haut oder andere biologisch-relevante Gewebe. Für die gleichzeitige Messung der Größenänderung der Gelpartikel aufgrund Plasmonenanregung soll ein 1064 nm Festkörperlaser für die Plasmoneanregung in den Aufbau der dynamischen Lichtstreuung (DLS, 632.8 nm) eingekoppelt werden. Die Gestalt der Goldnanostäbchen muss maßgeschneidert werden, um eine maximale Plasmonenanregung zu erreichen. Ebenso muss das Goldnanopartikel/Gel Verhältnis für ein maximales Schrumpfen angepasst werden. Simulationen des Wärmetransfers sollen u.a. für die Vorhersage des optimalen Verhältnisses dienen. In einem nächsten Schritt soll das Verständnis und die Kontrolle der Wechselwirkungen zwischen Hybridgelpartikeln und HA/PLL-Filme verbessert werden, um die Barriereeigenschaften zu optimieren. Letztendlich soll der Mechanismus des lichtgeschalteten Proteintransportes durch den Film mit Hilfe von FRAP untersucht und analysiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Dmitry Volodkin, bis 10/2016