Gelbeschichtung nach dem Klick-Prinzip
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- Schematische Darstellung einer metallorganischen Gerüstverbindung (links), der Gerüstverbindung nach dem Quervernetzungsvorgang (Mitte) und nach dem Herauslösen der Kupferionen (rechts) Quelle: Manuel Tsotsalas/IFG
18.12.2013 -
Festkörper müssen in vielen Bereichen der Technik-, Natur und Lebenswissenschaften mit Polymeren beschichtet werden. So zum Beispiel um das Einheilen von Implantaten zu erleichtern. Materialforscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Jacobs Universität Bremen haben ein neues Verfahren für die Entwicklung eines porösen Gels für biologische und medizinische Anwendungen entwickelt. Im Journal of the American Chemical Society (2013, Online-Veröffentlichung) berichten sie, dass sich das Gel mit bioaktiven Molekülen quervernetzen lässt, damit es in biologischer Umgebung Wirkstoffe freisetzen kann.
Herzschrittmacher und Gelenkprothesen werden mit Biomaterialien und medizinischen Wirkstoffen imprägniert, damit sie vom Körper angenommen werden oder die Heilung nach der Operation beschleunigen. Die Karlsruher Forscher haben gemeinsam mit ihren Kollegen aus Bremen ein Gel entwickelt, in dem sie die Porengröße bestimmen können. So kann es an den Wirkstoff gezielt angepasst werden. Im Versuch nahmen Bakterienzellen die Moleküle effizient auf.
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Grundgerüst ist noch giftig
Die Herstellung geschieht in mehreren Schritten: Die Wissenschaftler lassen auf einem festen Substrat eine metallorganische Gerüstverbindung aufwachsen. Innerhalb dieser Schicht lassen sich Form und Größe sowie die chemische Funktionalität der Poren exakt einstellen. So kann die Schicht allerdings noch nicht implantiert werden. Die darin enthaltenen Kupferionen sind für Lebewesen giftig. Weil sie außerdem auf einer organischen Verbindung beruht, würde sie in wässriger Umgebung schnell abgebaut werden.
Click-Chemie mit dem Molekülbaukasten
Deshalb werden die metallorganischen Molekülbausteine mit einem weiteren Molekül vernetzt um es zu stabilisieren. Dabei machten sich die Forscher das Konzept der Click-Chemie zunutze. Hierbei können die Zielmoleküle schnell aus kleinen Einheiten synthetisiert werden – in Reaktionen, ähnlich wie sie die Natur durchführt. Im letzten Schritt werden die Kupferionen aus dem Gerüst herausgelöst. Das poröse Polymer, das übrig bleibt, bildet eine gleichmäßig dicke Gelschicht, die unter biologischen Bedingungen stabil bleibt. „Gegenüber konventionellen Polymerbeschichtungen zeichnet sich dieses Gel dadurch aus, dass die Porengröße der Schicht sich gezielt an einzubettende bioaktive Substanzen, beispielsweise pharmazeutische Wirkstoffe, anpassen lässt“, erklärt Christof Wöll, Leiter des Instituts für Funktionelle Grenzflächen des KIT.
Mikroben machen die Abnahme
Um das Potenzial für die biologische Anwendung zu prüfen, testeten Biologen das Material mit Mikroben. Sie imprägnierten das Gel mit einer bioaktiven Subsanz und besiedelten es dann mit den Bakterien, die die Substanz rasch aufnahmen. „Diese neue Materialklasse eröffnet völlig neue Möglichkeiten für das Beeinflussen von Zellwachstum“, sagt Martin Bastmeyer vom Zoologischen Institut des KIT, der zusammen mit Wöll das von der Helmholtz-Gemeinschaft am KIT geförderte Programm „BioGrenzflächen“ leitet.
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