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Mechanische Verstärkung von Polymer-Hydrogelen durch den Zusatz von Nanopartikeln

Fachliche Zuordnung Polymermaterialien
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392208985
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel des Projekts war es, sowohl die (Bio-)Adhäsivität als auch die mechanische Stabilität von Hydrogel-Beschichtungen zu erhöhen. Diese beiden Eigenschaften sind oft gegensätzlich. Das Projekt hat daher die Beziehung zwischen der Hydrogelstruktur, dem mechanischen Verhalten und den Hafteigenschaften adressiert. Zur Erhöhung der Adhäsion wurde eine von Muscheln inspirierte Strategie verfolgt. Eine katecholische Aminosäure, d.h. 3,4-Dihydroxyphenyl-L-alanin (DOPA), die im Fuß der Muschel vorkommt, wurde als polymerisierbare Gruppe (Dopaminmethacrylamid (DMA)) in ein Hydrogel eingebaut. Da die Beschichtungen aus Mikrogelen leichter herzustellen sind und schneller auf äußere Reize reagieren, haben wir anstelle von Makrogelen Beschichtungen aus Mikrogelen hergestellt. Zunächst wurden thermosensitive P(NIPAM-co-DMA)-Mikrogele synthetisiert. Da DMA auch als Radikalfänger wirkt, bestand die Aufgabe darin, den geeigneten Zeitpunkt für die Zugabe von DMA und die Gesamtreaktionszeit zu ermitteln. Massenspektroskopie, NMR- und UV-Vis-Messungen haben ergeben, dass eine Zugabe von DMA 10-15 Minuten nach Beginn der Polymerisation und eine Gesamtreaktionszeit von 60 Minuten geeignete Syntheseparameter sind. DLS-Messungen haben gezeigt, dass die Zugabe von DMA zu einer Verringerung der Volumen-Phasenübergangstemperatur (VPTT), einem schmaleren Volumen-Phasenübergang und einer Abnahme der Quellfähigkeit führt. Dies ist auf Kohäsion zwischen den Catecholgruppen zurückzuführen, die auch zu einer ausgeprägten Versteifung der Mikrogele der Mikrogelbeschichtungen führt, wie in AFM-Eindringversuchen gezeigt. Wir konnten zeigen, dass die Verwendung unterschiedlicher Indentergrößen (zwischen 10 nm und 6700 nm) nicht zu Unterschieden in den gemessenen Elastizitätsmodulen führen. Darüber hinaus konnten die adhäsiven Eigenschaften durch die Einbettung von bis zu 10 Mol-% DMA verstärkt werden. Eine höhere DMA-Menge führt zu einer Abnahme der Adhäsion aufgrund der ausgeprägten Kohäsion zwischen den DMA-Gruppen. Neueste Messungen der Reibungskräfte von Tröpfchen einer Mikrogel-Dispersion, die über ein Substrat gezogen werden, zeigen einen starken Anstieg der Reibungskräfte mit zunehmendem DMA-Anteil in den Mikrogelen. Zusammenfassend kommen wir zu dem Schluss, dass die Catechol-Gruppen in den Mikrogelen für die verstärkte Mechanik aufgrund der verbesserten Kohäsion verantwortlich sind und die Catechol-Gruppen in der äußeren Schale der Mikrogele zu verbesserten Hafteigenschaften führen. Wir sind in der Lage, adhäsive, mechanisch robuste und transparente Beschichtungen in kontrollierbarer Weise herzustellen. Die Ergebnisse zu P(NIPAM-co-DMA)-Mikrogelen wurden in begutachteten Publikationen und auf nationalen und internationalen Konferenzen vorgestellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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