Polymerdiffusion auf Nanoebene
Durch das EU-geförderte Projekt "Transport studies on polymer based nanodevices and assemblies for delivery and sensing" (TRASNADE) wurde die rationale Konstruktion verbesserter Systeme gefördert, die in Umgebungen mit ionischen Fluiden, etwa in menschlichen Zellen oder Geweben, eingesetzt werden können. Zu diesem Zweck synthetisierte das Forschungsteam mehrschichtige Polyelektrolytbeschichtungen auf ebenen Oberflächen und kolloidalen Partikeln (unlöslichen Partikeln, die in einem Dispersionsmedium verteilt sind). Polymerbürsten sind an eine Oberfläche angelagerte Makromolekülanordnungen. Die Polymerisation erfolgte sowohl auf ebenen als auch auf kolloidalen Oberflächen. Es wurden Polymerbläschen aus Polystyrolsulfonat gebildet, die durch Substratschichtung auf ebenen und kolloidalen Partikeln angelagert wurden. Die Forscher analysierten das Zeta-Potenzial sphärischer Polymerbürsten in Relation zur Ionenstärke der sie umgebenden Lösung. Das Zeta-Potenzial steht im Zusammenhang mit dem elektrochemischen Gleichgewicht an den Phasengrenzen und hängt von den Eigenschaften sowohl der Lösung als auch der Oberfläche ab. Da die Fluide im menschlichen Körper ionisch sind, lassen sich anhand des Zeta-Potenzials wichtige Rückschlüsse auf das Diffusionsverhalten ziehen. Die Wissenschaftler konnten allerdings nur eine schwache Abhängigkeit zwischen Zeta-Potenzial und Ionenstärke feststellen. Die Diffusion durch die Polymerbläschen wurde mithilfe eines von einem Projektpartner entwickelten neuartigen Fluoreszenzlöschverfahrens untersucht. Das Forschungsteam bewertete, welche Rolle hierbei die Schichtdicke, die Salzkonzentration und die Position der markierten Polyelektrolyte in der Polymerelektrolytmembran spielen. Abweichungen von den erwarteten Ergebnissen legen den Schluss nahe, dass der Diffusionsvorgang nicht als vollständig zufälliger Prozess gelten kann. Das Team nahm anschließend elektrochemische Messungen des Transports durch die Schichten vor. Der Gesamtstrom reduzierte sich mit zunehmender Anzahl von Schichten. In der Erforschung der Frage, welche Wirkung die Pfropfungsdichte einer Polymerbürste auf ihre Durchlässigkeit für andere Moleküle hat, konnten die Forscher zeigen, dass die Diffusion bei höherer Pfropfungsdichte um sieben Größenordnungen geringer ist, als sie für wässrige Lösungen beobachtet wurde. Welche Auswirkungen verschiedene Temperaturen auf das Diffusionsverhalten hatten, hing von den in der Lösung vorhandenen Salzen ab. Zuletzt entwickelten die Forscher auf Grundlage der experimentell ermittelten Daten eine vollständige Simulationstoolbox, welche der systematischen Analyse anomaler Diffusionsvorgänge in Polyelektrolyten auf Nanoebene dient. Dank des TRASNADE-Projekts konnten die Kenntnisse zu den Durchlässigkeitsmechanismen in Nanogeräten und Nanoanordnungen in der Umgebung von Ionenflüssigkeiten stark erweitert werden. Die Ergebnisse werden in der wissensbasierten Entwicklung neuer Instrumente zur Medikamentenverabreichung sowie auch bei neuen Messmethoden zur Anwendung kommen.
Schlüsselbegriffe
Polymere, Polyelektrolyte, Medikamentenverabreichung, Nanogeräte, Polymerbürsten
