Nachhaltige Materialen
Moderne Anwendungen für die Medizin und nachhaltige Produkte des täglichen Bedarfs stellen hohe Anforderungen an die Multifunktionalität von Materialien. Unsere Abteilung „Polymerchemie“ erforscht die Integration verschiedenster Funktionen wie unter anderem Abbaubarkeit, Biointeraktivität oder auch Stimuli-Sensivität. Unsere Arbeit umfasst die molekulare Ebene als auch das Upscaling von Funktionspolymeren für Medizinprodukte und autonome elektronische Systeme. Die Handlungsfelder der synthetisierten Verbindungen liegen in den Bereichen smarte oder nachhaltige (Medizin-) Produkte sowie Wohn- und Lebensräume. Die Materialforschung spannt somit den Bogen von der Synthese von Monomeren und der oligomeren Vorstufe bis hin zu Polymerbibliotheken und Tinten für den 3D-Druck. Die Verbindungen werden umfassend chemisch charakterisiert und bei vielversprechenden Kandidatenmaterialien die technische Maßstabvergrößerung der Synthese betrieben.
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Formgedächtnispolymere ändern ihre Form selbständig aufgrund äußerer Reize, hier temperaturabhängig mit umkehrbarer Formänderung. -
In dem Modell einer Fensterjalousie werden die Temperatur-Gedächtnis Polymere zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Lamellen genutzt. -
Beim Abkühlen wird der Ursprungszustand wieder eingenommen. -
Die sogenannten Polymer-Aktuatoren überwinden die Beschränkung bisher bekannter Formgedächtnis-Kunststoffe, indem sie bei Temperaturänderung zwischen den Formen hin- und herwechseln, und nicht wie bisher nur einziges Mal schalten können. -
Der Temperaturbereich, in dem sich die Lamellen der Jalousie bewegen, ist programmierbar. -
Die aktivbeweglichen Polymere sind auf molekularer Ebene aus Strukturelementen aufgebaut, die über einen sehr breiten Temperaturbereich ihre Beweglichkeit ändern.
Profil
Foto: Hereon
Entwicklung von Polymersystemen mit maßgeschneiderten Eigenschaftsprofilen
Ziel unserer Forschung ist das Design und die Synthese neuer Materialien, die für die Entwicklung und Anwendung spezifischer medizinischer Therapien jeweils maßgeschneidert mit vielfältiger Funktionalität ausgestattet werden.
Wichtig ist bspw. die kontrollierte Abbaubarkeit der Polymere für Anwendungen, in denen zeitweise Organe oder Körperfunktionen ersetzt bzw. deren Aufgaben übernommen werden sollen. Sobald sich der Körper regeneriert hat und die Funktion wieder hergestellt ist, wird das Biomaterial von körpereigenen Enzymen in seine Bausteine zerlegt und schließlich verstoffwechselt. Für die Entwicklung neuer Stentmaterialien hingegen kann gerade eine lange Stabilität der Polymere gewünscht sein, verbunden mit einer ausgesprochen hohen Hämokompatibilität des Biomaterials. Dies gelingt nur in enger Zusammenarbeit mit den anderen Abteilungen des Instituts, insbesondere mit der Abteilung Biokompatibilität.
Durch die Kombinationen von neuen und bekannten Monomeren, unter Einsatz von etablierten wie auch neuer Syntheseverfahren, können vielfältigste Polymere hergestellt werden, die zudem auch noch zu Polymernetzwerken oder anderen dreidimensionalen Strukturen verknüpft werden können. Solche Verknüpfungen ermöglichen es, die charakteristischen Eigenschaften der Ausgangssubstanzen zu kombinieren. Es entstehen Polymersysteme, deren Verarbeitungseigenschaften, hydrolytisches Abbauverhalten und Biokompatibilität innerhalb eines breiten Spektrums variieren und durch die Veränderung molekularer Parameter gezielt eingestellt werden können.
Die Synthesen erfolgen weitestgehend mittels Ringöffnungs-, radikalischer oder kationischer (Photo)Polymerisation, der Einsatz von Polykondensation und Polyaddition rundet das Portfolio ab. Ein wesentlicher Partner hierbei ist das „Tianjin University- Helmholtz-Zentrum Hereon Joint Laboratory for Biomaterials and Regenerative Medicine“, welches Monomer Bausteine in den benötigten Mengen bereitstellt.
Synthetische Biomaterialien
- Bioabbaubare Polymere auf Basis von synthetischen Polyetherester-, Polyester oder Polydepsipeptidbausteinen
- Acryl- und Polyetherpolymere für die Herstellung biokompatibler Materialsysteme, deren Abbau nicht intendiert ist
- Thermoplastische Elastomere, Polymernetzwerk- sowie Hydrogelsysteme
Um zum gewünschten Eigenschaftsprofil der Polymere zu gelangen, bildet die fundierte Untersuchung der Polymerisationskinetik die Basis zur Einstellung der molekularen Parameter. Gleichzeitig werden damit auch die notwendigen Grundlagen für ein anwendungsorientiertes, wirtschaftliches Up-scaling der Synthesen geschaffen, womit die Bereitstellung von mehreren Kilogramm Material möglich wird.
Foto: Hereon
Formgedächtnis-Polymere sind stimuli‐sensitive Kunststoffe, die unter Einwirkung eines externen Stimulus mit Formänderungen reagieren können.
Erfolgt die Verformung aufgrund einer Temperaturänderung, handelt es sich um einen thermisch-induzierten Formgedächtniseffekt. Der Formgedächtniseffekt ist eine Funktion, die auf der Kombination einer geeigneten Polymerarchitektur/ ‐morphologie und einem darauf abgestimmten Programmierungsprozess (Funktionalisierung) basiert. Beispiele für Anwendungen im biomedizinischen Bereich sind die minimalinvasive Chirurgie, ferngesteuert schaltbare Implantate sowie adaptive Systeme.
Aus der Kombination von Polykondensation und Polyaddition werden thermoplastische Elastomere und Polymernetzwerksysteme hergestellt. Diese können beim Einbau bestimmter molekularer Bausteine so gestaltet werden, dass ihre äußere Form durch verschiedene Stimuli schaltbar sind. Die Polymerzusammensetzungen und Syntheseverfahren werden dabei so optimiert, dass für die jeweiligen Anwendungen Polymere mit den gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften bzw. Schaltfunktionen erzielt werden.
Während in klassischen Zweiform-Materialien nur eine Schaltphase vorhanden ist, ermöglicht das Einbringen einer zweiten Schaltphase Dreiformgedächtnismaterialien.
Mehrphasige Materialien, in denen eine Phase die Geometrie bestimmt und eine weitere Phase eine umkehrbare Bewegung durchführen kann, ermöglichen reversible Formgedächtnispolymere. In Polymersystemen mit nur einer kristallinen Phase, die jedoch eine sehr breite Schmelzübergangstemperatur aufweist, lässt sich eine Aufteilung in eine geometriebestimmende Phase und eine Bewegungsphase alleine über eine thermomechanische Behandlung erzielen.
Magnetisch-induzierter Shape-Memory-Effekt
Magnetisch-induzierter Formgedächtniseffekt eines Polyetherurethans mit eingeschlossenen magnetischen Nanopartikeln: Innerhalb von 24 Sekunden stellt sich die temporär fixierte Form (Stäbchen) in die ursprüngliche Form (Spirale) im Magnetfeld eines Ringinduktors zurück.
Wissenschaftliche Meilensteine der Hereon Shape-Memory-Polymerforschung mit weitreichender Bedeutung für das Forschungsfeld:
- Abbaubare, thermo‐sensitive Shape-Memory Polymere (SMP) (SCIENCE 2002, 296, 1673‐1676)
- Licht‐induzierter SME in Polymeren (NATURE 2005, 434, 879‐882)
- Magnetisch‐induzierter SME in Nanokompositen (Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 3540‐3545)
- Triple‐Shape Polymere (Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 18043‐18047)
- Multifunktionale SMP Systeme (Adv. Mater. 2009, 21, 3394–3398)
- Temperature‐Memory Polymere (Adv. Mater. 2011, 23, 4058‐4062)
- Magnetischer‐Memory Effekt in Nanokompositen (Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 184‐191)
- Bidirektionale Shape‐Memory Polymere (Adv. Mater. 2013, 25, 4466-4469)
- Temperature-Memory Aktuatoren (Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2013, 110, 12555-12559)
Lichtsensitive Polymere
Lichtinduzierter Formgedächtniseffekt. Foto: Hereon
Kunststoffe ändern ihre Form durch Licht - durch die Einführung von fotosensitiven Materialsystemen wird die Anwendungsbreite von Formgedächtniskunststoffen deutlich erweitert und zahlreiche Produktinnovationen erwartet.
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Drei-Formen-Gedächtniseffekt
Foto: Hereon
"Drei-Formen-Kunststoffe" können mithilfe von Temperatur zweimal hintereinander ihre Gestalt ändern und eröffnen so neue Möglichkeiten für steuerbare Anwendungen in der regenerativen Medizin.
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Polymer-Aktuatoren
Polymer-Aktuatoren überwinden die Beschränkung bisher bekannter Formgedächtnis-Kunststoffe, indem sie bei Temperaturänderung zwischen den Formen hin- und herwechseln, und nicht wie bisher nur ein einziges Mal schalten können.
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