Vom Monomer zur Nanostruktur in einem Schritt: Schaltbare polymerisationsinduzierte Selbstassemblierung (PIESA) als künstliches Reaktions-Assemblierungsnetzwerk

• Antragsteller: Dr. Fabian Sobotta
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525180722

Das Hauptziel des Projekts besteht in der Entwicklung eines neuartigen, synthetischen Reaktions-Assemblierungsnetzwerks basierend auf einer simultanen Polymerisation und Komplex Koazervation, ähnlich natürlich vorkommender Assemblierungsmechanismen. Das Konzept der räumlich-zeitlichen Kopplung von Polymerisation und Selbstassemblierung geladener Makromoleküle, durch die Verwendung eines komplementären Templats wird mit dem Ziel eingeführt eine verbesserte Kontrolle über die Polymer und Nanopartikelstruktur während des Assemblierungsprozesses zu erhalten. Dies ermöglicht den Zugang zu Nanomaterialien der nächsten Generation mit exakt definierter Form und Domänengrößen, die mit herkömmlichen Techniken nicht erreichbar wären. Auf der Grundlage eines systematischen Ansatzes wird eine Bibliothek von Strukturen unter verschiedenen Bedingungen erstellt, die als Screening-Plattform für eine tiefergehende Polymer- und Partikelcharakterisierung, sowie die Lokalisierung von Zustandsübergängen dienen wird. Auf diese Weise werden grundlegende Zusammenhänge zwischen den Netzwerkparametern und der strukturellen Entwicklung der Partikel aufgedeckt, die Einblicke in die zugrundeliegenden Assemblierungspfade ermöglichen, die für ein rationales Materialdesign erforderlich sind. Im weiteren Verlauf wird das einzigartige Potenzial des schaltbaren Assemblierungsmechanismus genutzt, um durch Feinabstimmung der strukturellen Relaxationszeiten die Größe und Form der Nanostrukturen, selbst ausgehend von den selben Bausteinen, maßzuschneidern. Die Kopplung von Polymerisation und Selbstorganisation in der schaltbaren Assemblierung eröffnet die Möglichkeit, die Topologie der wachsenden Polymerketten anzupassen, wodurch wiederum die Faltung und Assemblierung der Ketten beeinflusst wird. Die Kombination des schaltbaren Mechanismus mit der Copolymerisation eines zweiten Monomers ermöglicht die Modulation der Blocksequenz der wachsenden Copolymerketten durch Steuerung der Schaltschritte anstelle von aufeinanderfolgenden Polymerisationschritten. Diese räumlich-zeitliche Kontrolle sowohl über die Assemblierungskinetik als auch über die Monomersequenz, ahmt die Charakteristika natürlicher Netzwerke nach und stellt ein neues Paradigma für das Design von polymeren Nanomaterialien der nächsten Generation dar, sowie setzt einen Schritt in Richtung perfekter Monodispersität, dem "Heiligen Gral" der Polymerwissenschaft. Aufgrund der weit verbreiteten Anwendung von komplexen Koazervat-Nanostrukturen aus Polymeren wird diese Arbeit neue Entwicklungen in verschiedenen Bereichen wie der gezielten Wirkstoffabgabe, neuen Biomaterialien oder zellulären Modellen anregen und zu unserem Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien des hierarchischen Aufbaus von Biomakromolekülen beitragen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Gastgeberin: Professorin Dr. Ilja Voets