Bürsten mit Schalter

ISAS-Projekt zur Erforschung funktionaler Schichten aus Polymerbürsten

Zähne putzen können diese Bürsten nicht, Geschirr spülen auch nicht. Dafür jedoch Regen abweisen, Rohre vor Verstopfung schützen oder das Abstoßen von Implantaten verhindern – jetzt noch nicht, aber irgendwann in der Zukunft, das prophezeien Wissenschaftler wie Manfred Stamm vom Dresdner Leibniz-Institut für Polymerforschung. Der Professor für Physikalische Chemie untersucht Polymerbürsten und deren erstaunliche Eigenschaften. Ob und wie sich bestimmte Eigenschaften je nach Bedarf sogar an- und abschalten lassen, will er gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland und den USA in einem neuen Projekt herausfinden.

Polymerbürsten bestehen aus Polymeren, das sind lange Ketten winziger Moleküle. Die Molekülketten werden so dicht auf eine Oberfläche gepfropft, dass sie sich strecken müssen und abstehen wie Borsten. Je nach Art des Polymers können sie Wasser, Kalk oder andere Stoffe anziehen oder abstoßen. Gleich beides kann eine Bürste aus zwei Polymerarten mit entgegengesetzten Eigenschaften. Die sogenannten binären Polymerbürsten brauchen jedoch zusätzlich einen „Schalter“, damit sie wissen, wann sie was tun sollen. Doch nicht Knöpfe oder Hebel erfüllen diese Aufgabe, sondern die Umgebungsbedingungen. „Wir schalten sie einfach durch Veränderung der Temperatur oder des pH-Werts“, erklärt Manfred Stamm. „Nur die jeweils ‚angeschaltete’ Polymerart zeigt Wirkung, denn nur sie kann ihre ‚Borsten’ ausstrecken.“ Mit einer Beschichtung aus binären Polymerbürsten könnte beispielsweise ein Surfanzug Wasser bei 5 Grad Celsius abweisen und bei 25 Grad als angenehme Erfrischung durchlassen.

Doch von funktionaler Bekleidung oder anderen Anwendungen ist das Bürsten-mit-Schalter-Projekt derzeit noch weit entfernt, erst mal geht es um Grundlagenforschung. Welche Polymerarten eignen sich am besten? Und welche „Schalter“? Und tun die Bürsten tatsächlich das, was sie sollen? Mit bloßem Auge ist das nicht zu sehen, dafür sind die borstigen Gebilde zu klein. Karsten Hinrichs vom Institute for Analytical Sciences untersucht sie darum mit einem speziellen Gerät, einem sogenannten Ellipsometer. „Damit können wir die Polymerbürsten in Aktion beobachten, jedoch ohne sie dabei zu stören“, erläutert der Berliner Physiker. Und Petra Uhlmann aus der Arbeitsgruppe von Manfred Stamm ergänzt: „Erst wenn wir genau wissen, wie die Bürsten funktionieren, können wir sie auch optimieren.“

Ob sich die Polymerbürsten wie gewünscht schalten lassen, erproben die Wissenschaftler an Proteinen und anderen Nanopartikeln. Ist das Projekt erfolgreich, sind mögliche Anwendungen gar nicht mehr so weit weg, denn bestimmte Proteine bilden die Basis zum Züchten künstlichen Gewebes. Sind die Bürsten „an“, können sich die Proteine auf ihnen ablagern, das Gewebe darauf in Ruhe wachsen. Zum Schluss muss es jedoch irgendwie wieder entfernt werden. „Bei den bisher verwendeten Methoden erfolgt die Ablösung auf chemischem Wege, wobei das künstliche Gewebe geschädigt werden kann“, erklärt Petra Uhlmann. „Mit den schaltbaren Polymerbürsten wäre es einfacher: eine simple Änderung der Temperatur oder einer anderen Umgebungsbedingung – und das gezüchtete Hautgewebe oder Blutgefäß löst sich von allein und lässt sich problemlos ernten.“

Kontakt:

Uta Deinet, ISAS

Tel.: 0231 1392-234

E-Mail: presse(at)isas.de

Kerstin Wustrack, IPF

Tel.: 0351 4658 282

E-Mail: wustrack(at)ipfdd.de

Hintergrundinfos:

Bekannte Polymere sind zum Beispiel Polyamid oder PET (Polyethylenterephtalat), die in Kleidung oder Verpackungen vorkommen. Nicht so bekannt, aber trotzdem gebräuchlich im Alltag, sind die im Projekt verwendeten Polymere: zum Beispiel Polystyren (enthalten in Styropor) oder Polyacrylsäure (verwendet in Babywindeln). Die Polymerbürsten an sich sind ein noch recht junges Forschungsgebiet, die binären sind es erst recht. Eine industrielle Herstellung oder Vermarktung gibt es noch nicht.

Name des Projekts: „Design of new responsive materials based on functional polymer brushes for smart tuning and sensoring of proteins and particles adsorption“ (Teil des internationalen Forschungsvorhabens Materials World Network)

Gefördert von:

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (in Deutschland)
• National Science Foundation (in den USA)

Gefördert werden in Deutschland mehrere Doktoranden-, Diplomanden- außerdem Studentenaustausch zwischen Deutschland und den USA

Beteiligte Institute:

• IPF - Leibniz-Institut für Polymerforschung (Untersuchung der Wechselwirkung der Nanopartikel und Proteine mit den Bürsten), www.ipf.de
• ISAS - Institute for Analytical Sciences, Institutsteil Berlin (In-situ-Beobachtung der Polymerbürsten und ihrer Reaktionen), www.isas.de
• Georg-August Universität, Göttingen (Theorie, Modellierung)
• Clarkson University, New York, USA (Charakterisierung der Bürsten hinsichtlich neuer Schaltmechanismen)
• Clemson University, South Carolina, USA (Synthese spezieller neuartiger Polymere zur Bürstenherstellung)

Pressemitteilung ISAS - Institute for Analytical Sciences, 7.03.2007