Materialdesign von 3D-druckbaren Tinten für die Biotechnologie

• Antragstellerin: Dr. Johanna Meyer
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568637738

Hydrogele, hydrophile dreidimensional vernetzte Polymerstrukturen, haben in verschiedensten Anwendungsbereichen zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Diese kann von Implantaten, Medikamentenverabreichungssystemen und Kontaktlinsenmaterial bis hin zu Knochenersatzstoffen und Stentbeschichtungen reichen. Ihre Eigenschaften können Stimulus Responsivität, Biokompatibilität, sowie einstellbare mechanische und Quellungseigenschaften, oder antimikrobielles Verhalten umfassen. Der 3D-Druck von Hydrogelen wiederrum bietet eine außergewöhnliche Flexibilität bei der Erschaffung komplexer Strukturen. In diesem Projekt sollen neuartige 3D-druckbare Polymere und Monomere synthetisiert, charakterisiert, gedruckt und oberflächenfunktionalisiert werden. Diese Polymere werden während des Projektes auf zwei Anwendungsfelder angepasst und evaluiert. Ein Anwendungsfeld ist die Detektion von Glyphosat, ein nicht-selektives Herbizid mit breitem Wirkungsspektrum, das zur Vegetationskontrolle eingesetzt wird (Zulassungsverlängerung bis 2033). Glyphosat gilt als mögliches Karzinogen, da es sich in der Umwelt anreichert, akute und chronische Auswirkungen auf aquatische Gemeinschaften und in die Nahrungskette gelangen könnte. Daher bleibt der Glyphosatnachweis ein wichtiger Forschungsbereich, wobei für die Analyse verschiedene etablierte Methoden zur Verfügung stehen. Darunter spektroskopische Methoden oder Gaschromatographie, Ionenchromatographie und Flüssigkeitschromatographie, die mit Massenspektrometrie gekoppelt werden können. Diese Methoden sind zwar hochempfindlich, erfordern aber langwierige Analyse- und Probenvorbereitungsschritte und sind sehr kostspielig. Beim Enzymimmunoassay (ELISA), eine alternative Methode zu den oben genannten Analysetechniken, werden wiederrum spezifische Antikörper eingesetzt. Dabei bietet die Immobilisierung von Antikörpern auf geeigneten Oberflächen zahlreiche Vorteile, wie z. B. Wiederverwendbarkeit, Skalierbarkeit und geringe Beschränkungen des Massentransfers sowie die Minimierung von Materialabfällen. Im zweiten Anwendungsfeld, der Biokatalyse, sollen die funktionalisierten Polymeroberflächen für die Immobilisierung von Enzymen eingesetzt werden. Hydrogele können eine beträchtliche Menge Wasser absorbieren und gleichzeitig eine feste Form beibehalten, so dass sie sich für die direkte Aufnahme von Enzymen eignen. Es konnte jedoch in Vorarbeiten bereits eine starke Einschränkung dieser Technik durch die Massentransportlimitierung (Diffusion von Substraten und Produkten durch das Gel) beobachtet werden. Die kovalente Immobilisierung von Enzymen auf den Oberflächen der Matrizes ist eine Möglichkeit, diese Hürde zu überwinden. Mit diesen beiden Anwendungsfeldern sollen weiterhin Zusammenhänge zwischen dem Material, der Oberflächenfunktionalisierung (Linkerlänge), und der Effektivität des Glyphosatnachweises bzw. der Leistungsfähigkeit der Enzyme (Aktivität und Stabilität) aufgestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Selin Kara