Chemische Oberflächenreaktivität von DLC-Schichten

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Peter Klages
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463121443

Wegen ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften werden sogenannte diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten) heute in so diversen Gebieten angewendet wie einerseits als verschleiß- und reibungsmindernde Schicht im Maschinenbau, andererseits als Implantatbeschichtung in der Medizin. Dank weltweiter FuE-Arbeiten an DLC-Schichten existiert heute einerseits eine profunde Kenntnis von Mikrostruktur und Eigenschaften, einschließlich der physikalischen Eigenschaften von DLC-Oberflächen, ihrer Freien Energie sowie der Benetzungs- und Adhäsionseigenschaften. Andererseits ist über die chemische Zusammensetzung von DLC-Oberflächen und insbesondere die chemische Reaktivität der Oberflächen, die sich durch Autoxidationsprozesse in gewöhnlicher Umgebung einstellt, fast nichts bekannt. Aus Untersuchungen, die sich in erster Linie auf Standardmethoden wie chemische Derivatisierung und XPS stützen, haben gezeigt, dass durch die spontane Oxidation des Kohlenstoffs im Laufe von Wochen oder Monaten verschiedene sauerstoffhaltige Gruppen an der Oberfläche gebildet werden. Über die damit einhergehende chemische Reaktivität der Oberfläche gegenüber organischen Molekülen und speziell Biomolekülen ist aber fast nichts bekannt. Hier setzt der vorliegende Antrag an: Ziel der geplanten Arbeiten ist es, den Kenntnisstand bezüglich der Chemie funktioneller Gruppen und speziell reaktiver Gruppen auf Oberflächen von wasserstofffreien bzw. -haltigen amorphen Kohlenstoffschichten (a-C, a-C:H) entscheidend zu erweitern. Die Untersuchungsmethodik stützt sich in erster Linie auf die sehr leistungsfähige Kombination physikalischer Methoden - Immersion-IRRAS (ImIRRAS) und XPS - mit speziellen chemischen Derivatisierungen. Reaktive Gruppen sind von besonderer Bedeutung im Bereich biomedizinischer Anwendungen, wo DLC-Oberflächen mit Biomolekülen, speziell Proteinen interagieren. Aufgrund deren Größe, typisch 3 bis 10 nm, genügen sehr geringe Flächendichten, bis 0.01 nm2, für die Immobilisierung einer Monolage. Vorarbeiten haben gezeigt, dass ImIRRAS in der Lage ist, derartig geringe Dichten zu quantifizieren. Das gilt auch für Hydroperoxidgruppen, die u. U. eine zentrale Rolle bei der Oxidation spielen. Ergebnisse des Vorhabens werden einerseits von grundlegendem Interesse sein, da eine empfindliche Lücke im physikalisch-chemischen Wissen über DLC-Schichten gefüllt wird. Andererseits sind die Ergebnisse überall von praktischer Bedeutung, wo die DLC-Oberfläche im Kontakt mit reaktionsfähigen Molekülen steht, speziell mit Biomolekülen auf menschlichen Zellen, in Gewebe und Körperflüssigkeiten. Mit Hilfe der FTIR-ATR-Spektroskopie in situ wird die Dichte reaktiver Gruppen auf a-C:H oder a-C mit der Fähigkeit korreliert, Proteine zu adsorbieren bzw. kovalent zu binden, die eine Hauptrolle für die Hämokompatibilität spielen. Diese Untersuchungen werden ergänzt durch Messungen der Deposition von Blutplättchen auf ausgewählten Oberflächen sowie durch Untersuchungen zur Blutgerinnung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen