Polymer-Hydrogel-Verbunde mit biokompatiblen Oberflächen

In dem Forschungsprojekt sollen die neuen Möglichkeiten magnetischer Hochfelder für die Herstellung von Polymer-Hydrogel-Verbunden untersucht und praktisch eingesetzt werden. In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. werden kovalente Verbindungen von gequollenen Hydrogelen mit mechanisch stabilen Polymeren initiiert und hinsichtlich ihrer molekularen Struktur charakterisiert. Der so entstandene Polymer-Hydrogel-Verbund wird hinsichtlich der Biokompatibilität bewertet.

Um zwei unterschiedliche Polymere kovalent zu verbinden, muss eine entsprechende Aktivierungsenergie für die chemische Reaktion in die Grenzschicht eingetragen werden. Dies erfolgt üblicherweise durch Einkopplung von thermischer Energie. Die sich daraus ergebenden Nachteile wie zum Beispiel eines Kettenabbaus, unerwünschter Umsetzungen reaktiver Gruppen, Umwandlung kristalliner in amorpher Einheiten und natürlich auch thermische Spannungen nimmt man zwar in Kauf, möchte sie aber möglichst minimieren.
Die thermische Belastung der zu verbindenden Polymere kann jedoch nur dann minimiert werden, wenn die Energie gezielt in die Grenzflächen eingetragen wird.
Eine völlig neue Möglichkeit gequollene Hydrogele mit anderen Polymeren zu verbinden, bietet jetzt das magnetische Hochfeld mit Feldstärken bis zu 100 T. Der besondere Vorteil liegt dabei in der niedrigen Frequenz des Magnetfeldimpulses von weniger als 1 kHz, so dass, im Gegensatz zu hochfrequenten elektromagnetischen Feldern, weder eine Erwärmung von Wasser noch von polymeren Material hervorgerufen wird. Bereits ein Impuls von 60 T kann über einen Metallpartikel moderierten Energieeintrag zur chemischen Reaktion zwischen den Polymeren führen.

Polymer 1 — Darstellung der Vorversuche zur kovalenten Verbindung von PC und PVAm im magnetischen Hochfeld. A) Aufbau der Testprobe, B) applizierter Impuls des magnetischen Hochfeldes. C) Charakterisierung der PC/PVAm Schicht mittels FT-IR spektroskopischen Imaging. Die roten Quadrate kennzeichnen jeweils ein vollständiges FT-IR Image. D) Scorewerte der dritten Hauptkomponente und der E) korrespondierende Loadingplot lassen kovalente Bindungen zwischen PC und PVAm erkennen. F) Das Querschnittsprofil der Scorewerte zeigt, dass ein Bereich von ca. 500µm vom Ag-Ring chemisch reagiert hat.

Das in Deutschland bislang einzige magnetische Hochfeldlabor befindet sich im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). In einer experimentellen Pilotstudie zur Magnetfeld-induzierten Verbindung von Polycarbonat (PC) und Poylvinylamin (PVAm) konnte bereits gezeigt werden, dass sich mit einem einzigen kurzen Magnetfeldimpuls von etwa 60 T chemische Reaktionen zwischen beiden Polymeren in fester Phase hervorrufen lassen.
Unter Nutzung des magnetischen Impulses erfolgte durch Induktion ein lokaler Wärmeeintrag in die Grenzschicht PC – PVAm (Abb. A und B). Für den Nachweis der chemischen Bindung zwischen PC und PVAm wurde das Infrarotspektroskopische Imaging (Abb. C) eingesetzt. Die Datenanalyse der über 10.000 Spektren mittels Hauptkomponentenanalyse (Abb. D) zeigte einen deutlichen Gradienten in der PC - PVAm Schicht in Abstand zum Ag-Ring. Der Loadingplot (Abb. E) zeigt die erwartete Ausbildung einer chemischen Bindung, hier Urethangruppen, zwischen PC und PVAm. Das Querschnittsprofil der Scorewerte (Abb. F) verdeutlicht, dass nicht nur unmittelbar an dem Ag-Ring die Reaktion stattgefunden hat, sondern auch in einem Abstand von etwa 0,5 mm noch Reaktionsprodukte nachweisbar sind.

Bei der induktiv-thermisch initiierten Verbindung von PC und PVAm entstehen neben den erwarteten Urethanbindungen auch eine Reihe weitere kovalenter Bindungen. Die Analyse der molekularen Bindungen ist eine entscheidende Voraussetzung für die Erzielung stabiler Polymer-Hydrogel-Verbunde.