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Neue zwitterionische Polymere für "low-fouling" Oberflächen

Fachliche Zuordnung Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
Förderung Förderung von 2015 bis 2020
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279753164
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

"Fouling", d.h. die unspezifische Ablagerung von Molekülen, Material, Pathogenen oder Organismen auf Oberflächen, gefährdet die Stabilität, Lebensdauer und Funktionsfähigkeit von Objekten sowohl in der Technik wie in der Biomedizin. Insbesondere in wässriger Umgebung ist dieses ubiquitäre Problem relevant, speziell bei Kontakt mit Körperflüssigkeiten und bei maritimen Anwendungen. Ziel des Projektes war es, die bisher stark eingeschränkten Strukturoptionen wirksamer Polymere für effektive biozid- und PFAS-freie Schutzschichten zu erweitern und das Verständnis für molekulare Architekturen mit besonders günstigen Low-Fouling-Eigenschaften zu verbessern. Dafür galt es wichtige Designparameter für Schutzschichten in Form zwitterionischer Polymerhydrogele zu identifizieren. Bei den im Fokus der Arbeit stehenden Polyzwitterionen handelt es sich um mit Paaren von Kationen und Anionen funktionalisierte Polymere, die entsprechend insgesamt elektrisch ungeladen sind. Hierzu wurden diverse Sätze zwitterionischer Monomere und photovernetzbarer Copolymere unter systematischer Variation ihrer chemischen Struktur synthetisiert. Variiert wurde die chemische Natur der zwitterionischen Gruppe (mit Schwerpunkt auf Sulfo- und Sulfabetaine), die Länge der Spacergruppen zwischen Zwitterionen und Polymerkette sowie zwischen den kationischen und anionischen Gruppen innerhalb der Zwitterionen, die relative Orientierung ihrer Dipole gegenüber der Polymerkette, die Dichte der photoreaktiven Gruppen, die chemische Struktur der Polymerkette sowie die Balance zwischen hydrophilen und hydrophoben Fragmenten. Aus den Polymeren wurden 100-200 nm dünne Hydrogelschichten hergestellt und ausführlich charakterisiert. Diese wurden in eigens entwickelten Fouling-Assays gegen unterschiedliche Foulertypen (Proteine, Bakterien, Diatomeen, Algen, Seepocken) in Labor- und - für ausgewählte Beispiele - in Feldtests im Meer untersucht und gegenüber dem Verhalten von Positiv- wie Negativreferenzoberflächen evaluiert. Fast alle getesteten Polyzwitterionen verbessern das Foulingverhalten deutlich. Nichtsdestotrotz treten bereits bei scheinbar kleinen Strukturunterschieden erhebliche Unterschiede auf, ohne dass klare Regeln zu erkennen sind, wobei die Orientierung der Dipole gegenüber der Polymerkette in Hydrogelen (im Gegensatz zu selbstorganisierten Monoschichten, "SAMs") nur wenig ins Gewicht fällt. Zudem hängt die relative Schutzwirkung vom speziellen Fouler ab, was die Entwicklung verallgemeinerter Zusammenhänge erschwert. Speziell für den Einsatz in maritimen Bereich muss der Quellgrad der Hydrogele begrenzt werden, um die schädliche Einlagerung von Sedimentteilchen zu minimieren. Dies zerstört die Schutzwirkung der Hydrogele und macht eine sorgfältig austarierte Balance zwischen Hydrophilie der zwitterionischen Gruppe, Vernetzungsdichte und amphiphilem Charakter der Polymere notwendig.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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