Supramolekulare Polymerbürsten als Wirkstoffträgersysteme – Aufbau definierter und reaktiver Systeme

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Brendel
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 358263073

Supramolekulare Wechselwirkungen sind eine treibende Kraft in der Natur, um reversibel hierarchisch geordnete Faserstrukturen zu erzeugen. Das aktuelle Emmy Noether-Projekt greift dieses Konzept auf, mit dem Ziel die Selbstorganisation von Polymeren zu supramolekularen Fasern oder Polymerbürsten zu kontrollieren. Aufgrund ihrer starren, zylindrischen Form, der Integration verschiedener Funktionspolymere und des modularen Aufbaus sind die entsprechenden Strukturen für biomedizinische Anwendungen hoch attraktiv. Die bisher erzielten Ergebnisse zeigen klare Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen der chemischen Struktur der supramolekularen Bausteine und ihrer Aggregation. In Fortführung dieses Projektes ist das erweiterte Ziel, die Kontrolle über den Aggregationsprozess und die resultierende Struktur signifikant zu verbessern und reaktive Auf- und Abbauprozesse zu integrieren. Zunächst sollen umfangreiche Untersuchungen aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen geeignete Bedingungen für ein kontrolliertes Wachstum ausgehend von einer kinetisch gesteuerten Assemblierung ermitteln. Idealerweise kann ein metastabiler Bereich identifiziert werden, der bei Zugabe geeigneter Keime ein lebendiges Wachstum initiiert. Alternativ ermöglichen definierte Phasenübergänge, wie sie in Mikrofluidiksystemen erzeugt werden, einen gleichmäßigeren Aggregationsprozess zu induzieren und die Strukturkontrolle zu verbessern. Parallel hierzu zielt dieses Fortsetzungsprojekt auf die Entwicklung geeigneter Bausteine ab, die einen reaktionsgetriebenen Aufbau und auch einen entsprechenden Zerfall der assemblierten Strukturen ermöglichen. Im ersten Fall kann die Aggregation unter anderem durch die in situ Bildung der notwendigen hydrophoben Abschirmung induziert werden. Auf der anderen Seite eröffnen reaktive Gruppen in den hydrophoben Elementen das Potential für eine reaktive Spaltung oder Umwandlung, die in Folge zu einem Zerfall der Strukturen führt. Aufbauend auf diese Prozesse können transiente Polymerbürsten hergestellt werden, die sehr spezifisch auf unterschiedliche Stimuli reagieren. Die Entwicklung energiegetriebener Materialien analog zu bekannten faserartigen Strukturen in der Natur stellt einen nächsten Schritt im Projekt dar. Dazu werden Bausteine benötigt, die unter Verbrauch eines chemischen Treibstoffs reversibel aktiviert werden und so eine energieabhängige Aggregation auslösen. Die Kombination mit komplementären Reaktivitäten in den Polymerketten erweitert die Steuerungsmöglichkeiten dieses Ansatzes, z.B. durch reversible Fixierung der Strukturen. Langfristig kann dieses Projekt einen Grundstein für die Entwicklung intelligenter und vor allem adaptiver synthetischer Materialien darstellen, die spezifisch und selektiv auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren können und im Hinblick auf biomedizinische Anwendungen neue Ansätze z.B. beim Medikamententransport oder der Strukturierung von Gewebe eröffnen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen