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Department of Chemistry
Organic and Macromolecular Chemistry
Prof. Dr. Dirk Kuckling
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Forschung

Smarte Polymerstrukturen

Polymere, die auf einen externen Stimulus durch eine Änderung von physikalischen Eigenschaften reagieren (stimuli-responsive polymers, SRP) kann man als 'intelligente' oder 'smarte' Materialien bezeichnen. Der externe Stimulus kann dabei chemischer oder physikalischer Natur sein. Die Antwort auf den Stimulus ist im Idealfall dreifacher Art: Erstens wird der Stimulus detektiert (Sensorfunktion), zweitens wird er quantifiziert (Prozessorfunktion) und drittens resultiert ein Antwortverhalten (Effektorfunktion). Anwendungen als Sensoren und Aktoren sind ein Forschungsschwerpunkt. Zusätzlich ermöglicht eine Bioverträglichkeit dieser Verbindungen Einsätze z.B. als Medium zur Zellkultivierung und als Komponente im 'tissue engineering'.

Die Basis der zukünftigen Arbeiten ist die Synthese von smarten Blockcopolymeren. Zur Realisierung solcher Strukturen dienen hauptsächlich kontrollierte radikalische Polymerisationen. Dabei werden die drei gängigen Methoden zur kontrollierten radikalischen Polymerisation (NMRP, ATRP und RAFT) angewandt und für das jeweilige System optimiert. Dazu müssen neue reaktive Monomere, Liganden, Initiatoren und Übertragungsreagenzien synthetisiert werden. Um das Leistungsspektrum solcher Blockcopolymere zu erweitern, werden Polymere durch Kopplung unterschiedlicher Polymerisationsmechanismen hergestellt. Besonderes Augenmerk wird hier auf bioabbaubare, redoxaktive oder leitfähige Polymere gelegt. So können z.B. Polymere erhalten werden, deren einer Block ein Homopolymer ist, der andere Block aber ein statistisches Copolymer. Systeme aus den Polymeren zeichnen sich durch eine besondere Morphologie und damit besondere sensitive  Eigenschaften aus.

Neben etablierten spektroskopischen Charakterisierungsmethoden (diverse NMR-Methoden, IR- und UV/VIS-Spektroskopie), die in der Fachrichtung vorhanden sind, müssen Methoden zur Polymer- und Netzwerkcharakterisierung z.T. noch etabliert werden. Zur Untersuchung von Struktur-Eigenschaftsbeziehung werden moderne Methoden wie GPC mit Mehrfachdetektion in verschiedenen Lösungsmitteln, ESI/MALDI-TOF-Massenspektrometrie, DSC, DMA, Lichtstreuung und Quellungsgradmessungen verschiedenster Art genutzt. Daneben werden andere Methoden, wie SPR (Surface Plasmon Resonance) Spektroskopie, AFM, QCM und cryo-REM, zu Funktionsuntersuchungen herangezogen.

Auf Basis von Gelen mit chemisch induzierten Phasenübergängen, die auch chemo-mechanische Systeme genannt werden (Systeme, die chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln können), konnten u.a. chemisch schaltbare Ventile zur Kontrolle eines Flüssigkeitsflusses sowie verscheidene Sensoren entwickelt werden. Die Entwicklung von photovernetzbaren Hydrogelen macht das Ventilprinzip integrierbar in die Mikrosystemtechnik, so dass Ventile mit µm-Dimensionen hergestellt werden können. Bislang konnten eine Reihe von Temperatur- und/oder pH-Wert-, Lösungsmittel- und Schwermetallionen-sensitiven Gelen hergestellt und charakterisiert werden. Um Hydrogele mit verbesserten sensitiven Eigenschaften herzustellen, werden Polymere mit besonderen Strukturen (z.B. Block- und Pfropfcopolymere) synthetisiert. Weiterhin wird die Applikation dieser Gele in anderen Gebieten (z.B. in der Biotechnologie) angestrebt.

Zum Aufbau neuartiger Nanomaterialien stehen Polymere im Mittelpunkt, die definierte Überstrukturen aufbauen können. Dabei werden parallel Untersuchungen an dünnen Schichten als auch an kolloidalen Systemen durchgeführt. Somit werden Materialien mit neuartigen sensorischen und aktorischen Eigenschaften erzeugt. Die nanostrukturierten Materialien weisen unterschiedliche Bereiche auf, deren Quellung separat adressiert werden kann. Auf der anderen Seite lassen sich zylindrische Morphologien zur Erzeugung von schaltbaren Membranen nutzen. In wässrigen Systemen aggregieren Blockcopolymere zu Mizellen, deren Struktur durch Vernetzung fixiert werden kann. Diese Core-Shell-Nanopartikel zeichnen sich durch multisensitives Verhalten aus. Dieses Verhalten wird zum Aufbau neuartiger Drug-Delivery-Systeme genutzt. Besondere Spezifität erhalten diese Systeme, wenn an den Mizellen spezielle biologische Rezeptoren (z.B. Antikörper) angebracht werden.

 

 

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Prof. Dr. Dirk Kuckling

Organic Chemistry - Research Group Kuckling

Professur für Organische und Makromolekulare Chemie

Dirk Kuckling
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