Mussel-inspirit polymerization: „The enzyme free route of an tyrosinase activated polymerization“
Final Report Abstract
Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurden bedeutende Fortschritte bei der Herstellung von Klebstoffpolymeren nach dem biologischen Vorbild des Klebesystems der Miesmuschel erzielt. Ein Hauptziel war die enzymfreie Oxidation, um kostenintensive und schwer erhältliche Enzyme zu vermeiden und Klebstoffherstellung zu vereinfachen. Durch die chemische Oxidation von Bisphenolen zu Bis-Chinonen mittels IBX wurde eine effiziente Monomersynthese entwickelt. Vollsynthetische Bis-Chinone wurden mit kommerziell verfügbaren Dithiolen über eine AA+BB-Strategie zu TCC-Polymeren umgesetzt. Diese Methode ermöglichte den schnellen Aufbau in Lösung und führte zu TCC-Polymeren mit hohen Molmassen, die unter verschiedenen Bedingungen hervorragende Klebstoffeigenschaften und Stabilitäten zeigten. Ein weiterer Fortschritt war die Einarbeitung von polymeren Makromonomeren als Dithiole bzw. Multithiole, um die TCC-Konzentration im Produkt zu reduzieren bzw. Harzklebstoffe als Zweikomponenten-Klebstoffsysteme zu realisieren. Diese Harze wurden lösungsmittelfrei synthetisiert und zeigten sehr gute Adhäsionseigenschaften von bis zu 8 MPa. Die entwickelten Polymere haben ein großes Potenzial für industrielle Anwendungen, insbesondere als Klebstoffe und Beschichtungen. Ihre hohe Haftfestigkeit, Stabilität und die Potentiale zur großtechnischen Herstellung machen die TCC-Polymere zu interessanten Kandidaten für materialwissenschaftliche Anwendungen. Unerwarteterweise wurden bei Produkten aus der Polymerisation von PS-Makomonomeren sehr hohe Klebkräfte erzielt, obwohl die Konzentration an funktionellen TCC-Gruppen mit z.B. 3 mol% deutlich unter der der üblichen Systeme mit ~30 mol% liegt. Weiterhin überraschend kam die Erkenntnis, dass die Haftkräfte mit geringerer TCC-Konzentration weiter anstiegen, was sich äußerst positiv auf die Anwendbarkeit und Skalierbarkeit auswirkt. Die Übertragung der Lösungspolymerisation in eine Bulkpolymerisation zwischen BQA und flüssigen Multithiolen war unproblematisch und führte zu einem Zweikomponenten-Klebstoffsystem. Die Harzklebstoffe zeigten überaus gute Klebstoffeigenschaften von bis zu 8 MPa. Die Flexibilität und Modularität der entwickelten Polymerisationsroute, die aus verschiedenen Bis-Chinonen und kommerziell verfügbaren Dithiolen hergestellt wurden, eröffnete eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten, die ursprünglich nicht vorhergesehen wurden. Neben den PEG- und PS-basierten linearen Polymeren und den multithiol-basierten Netzwerken wurden ebenfalls monodisperse Polyamide (aromatische Polyaramide sowie Perlon®-inspirierte Dithiolsegmente) synthetisiert. Aufgrund der zu erwartenden Schwierigkeiten bei der Synthese von längeren Sequenzen wurde ein unverhältnismäßig hoher Aufwand mit nur sehr geringen Ausbeuten belohnt, sodass diese Schiene im Projektverlauf zurückgestellt wurde.
Publications
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Mussel‐Inspired Polymerization of Peptides: The Chemical Activation Route as Key to Broaden the Sequential Space of Artificial Mussel‐Glue Proteins. Macromolecular Rapid Communications, 41(1).
Kohn, Jana M.; Riedel, Jerome; Horsch, Justus; Stephanowitz, Heike & Börner, Hans G.
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Muschel-inspirierte Polymerer Haftstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung; Serial Number 102020108099A1
Börner, Hans & Krüger, Jana Maria
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Accessing the Next Generation of Synthetic Mussel‐Glue Polymers via Mussel‐Inspired Polymerization. Angewandte Chemie International Edition, 60(12), 6408-6413.
Krüger, Jana M. & Börner, Hans G.
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Implementing Zn2+ion and pH-value control into artificial mussel glue proteins by abstracting a His-rich domain from preCollagen. Soft Matter, 17(8), 2028-2033.
Arias, Sandra; Amini, Shahrouz; Krüger, Jana M.; Bangert, Lukas D. & Börner, Hans G.
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Broadening the Chemical Space of Mussel-Inspired Polymerization: The Roll-out of a TCC-Polymer Platform with Thiol–Catechol Connectivities. Macromolecules, 55(3), 989-1002.
Krüger, Jana M.; Choi, Ching-Yi; Lossada, Francisco; Wang, Peng; Löschke, Oliver; Auhl, Dietmar & Börner, Hans G.
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Enhancing Adhesion Properties of Commodity Polymers through Thiol-Catechol Connectivities: A Case Study on Polymerizing Polystyrene-Telechelics via Thiol-Quinone Michael-Polyaddition. ACS Macro Letters, 13(4), 440-445.
Schröter, Carolin M.; Bangert, Lukas D. & Börner, Hans G.
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Redox‐Triggered Debonding of Mussel‐Inspired Pressure Sensitive Adhesives: Improving Efficiency Through Functional Design. Angewandte Chemie International Edition, 63(44).
Neubert, Tilmann J.; Walter, Keven; Schröter, Carolin; Guglielmotti, Victoria; Hinrichs, Karsten; Reinicke, Stefan; Taden, Andreas; Balasubramanian, Kannan & Börner, Hans G.
