Chemo-mechanische und chemo-strukturelle pH-Feedbackmechanismen zur Programmierung Transienter und Autonomer selbst-assemblierender Systeme

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Walther
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258922244

Aufbauend auf der vorangegangen Förderperiode, in welcher wir pH-Feedbacksysteme mit transienten pH-Zuständen in homogener Lösung entwickelten und diese mit einer Reihe an pH-responsiven selbst-assemblierenden Komponenten zusammenbringen konnten, um in diese autonom selbst-regulierende, transiente Lebensdauern zu programmieren, befasst sich dieses Anschlussvorhaben damit, die nächsten Schritte im Bereich aktiver Feedbackmechanismen und im Design autonomer, chemisch getriebener Nichtgleichgewichtssysteme der weichen Materie und Selbstassemblierung zu vollziehen. Diese Vorhaben geht somit über chemische Feedbacksysteme in homogener Lösung hinaus und zielt darauf ab generalisierbare, selbst-regulierende und insbesondere gekoppelte chemo-X pH-Feedbackmechanismen zu untersuchen und quantitativ zu verstehen: (i) Chemo-mechanische pH-Feedbacksysteme basieren auf pH-modulierenden Enzymen (mit pH-abhängiger Aktivität), die in pH-responsive Kern/Schale Kolloide mit pH-abhängigen Einschlusseffekten eingebracht werden (limitierte Substratdiffusion), so dass es zu Selbstregulationseffekten in der Enzymaktivität kommt. (ii) Chemo-strukturelle pH-Feedbacksysteme basieren auf pH-modulierenden Enzymkaskaden, wobei die Enzyme in co-assemblierende Kern/Schale Kolloide eingeschlossen werden, welche pH-abhängige Co-assemblierung zeigen, und in deren Systemen das gebildete Co-Assemblat seine eigene Zerstörung auslöst.Dies wird zu neuen Systemcharakteristika führen, insbesondere zu (a) transienten pH-Profilen mit kontrollierten Einlaufzeiten und Lebensdauern, (b) reaktivierbaren pH-Profilen, da die eingeschlossenen Enzyme in einen wirklich schlafenden Zustand versetzt werden können, und (c) oszillierenden Systemen auf Basis einer kontrollierten Synchronisation von Hystereseeffekten, Reaktions-/Diffusions-Zeitskalen, gemeinsam mit zeitlich kontrollierten Selbstregulierungseffekten auf Basis chemo-mechanischer oder chemo-struktureller Rückkoppelung. Diese wegbereitenden Konzepte erlauben insgesamt einen Fortschritt in Richtung autonom agierender, dynamischer Materialsysteme, in denen Selbstregulationseffekte oder zeitlich programmierbare Speicherfunktionen zugänglich sind. Wir zielen hier darauf ab, dieses neuartige Verhalten für neue Arten an sich selbstlöschenden Peptidhydrogelen einzusetzen und deren Einsatz für die Flusssteuerung in fluidischen Netwerken zu verdeutlichen. Die wichtigen Ziele sind, eine orthogonale Programmierung der Einlaufzeit und Lebensdauer in Sol-Gel-Sol Systemen zu erreichen, und insbesondere kontrollierte Einlaufzeiten vor der Gelierung für eine kontrollierte Verteilung von Gelvorstufen (Sol) in einem sich verzweigenden fluidischen Netzwerk zu nutzen, um so letztendlich die Blockierung von Flüssigkeiten (z.B. Blut) in komplexen vaskulären Systemen zu verdeutlichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen