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Polymere Neue Polymere sollen mobile DNA-Analysen ermöglichen

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Ein Verbundprojekt aus 15 Thüringer Unternehmen und fünf Thüringer Forschungseinrichtungen entwickelt spezielle Polymer-Beschichtungen aus so genannten „Hydrogelen“ – Wasser enthaltende aber wasserunlösliche Polymere. Mögliche Anwendungen kommen auch aus dem Bereich der mobilen Analytik, so beispielsweise der mobilen DNA-Analytik.

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Der Chemiker Dr. Michael Gottschaldt von der Universität Jena arbeitet in der Forschergruppe, die die mobile DNA-Analytik entwickelt. (Bild: Jan-Peter Kasper/FSU)
Der Chemiker Dr. Michael Gottschaldt von der Universität Jena arbeitet in der Forschergruppe, die die mobile DNA-Analytik entwickelt. (Bild: Jan-Peter Kasper/FSU)

Jena – Ist es Schweinegrippe, Vogelgrippe oder doch ein „herkömmlicher“ Grippevirus? Wollen Ärzte heute bestimmen, an welchem Influenzatypus ein Patient erkrankt ist, müssen Blutproben in einem Labor untersucht werden. Dabei geht wichtige Zeit verloren, die für die Behandlung oder sogar für eventuelle Quarantänemaßnahmen notwendig wäre. In naher Zukunft sollen solche Fragen direkt vor Ort beantwortet werden können. Daran arbeitet ein Netzwerk aus 15 Thüringer Unternehmen und fünf Thüringer Forschungseinrichtungen unter Koordination der Analytik Jena AG im Wachstumskern „Bioanalytik und Oberflächen zur Integration in Systemen“ (BASIS) – unterstützt durch den Projektträger Jülich sowie die Landesentwicklungsgesellschaft Thüringen. Ziel des Verbundes, welcher seit 2009 besteht, ist es, spezielle Polymer-Beschichtungen aus so genannten „Hydrogelen“ für sehr unterschiedliche Anwendungsfelder zu entwickeln. Federführend sind Unternehmen aus den Marktbereichen Messtechnik für biologische Systeme, mobile Analytik und Implantologie.

Nach erfolgreicher Begutachtung des Verbundes wird BASIS als Innovativer regionaler Wachstumskern im Förderprogramm „Unternehmen Region“ durch das Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) seit 1. Juni mit insgesamt 9,1 Mio. Euro für die nächsten drei Jahre gefördert. Die Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU), die mit zwei Forschergruppen am Verbundprojekt beteiligt ist, erhält davon insgesamt 1,19 Mio. Euro.

Problemlösung – Beschichtung mit sogenannten Hydrogelen

Die Problemlösungsplattform kann in drei Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen: Einerseits soll eine mobile Analytik von DNA entwickelt werden. Andererseits wollen die Forscher neue Beschichtungen für Messsysteme herstellen, die im Wasser eingesetzt werden und auf deren Sensoroberfläche sich keine Organismen anlagern können. Drittens sollen in den nächsten drei Jahren Gelenk- und Zahnimplantate mit antibakterieller Beschichtung entstehen.

„In allen drei Anwendungsbereichen setzen wir auf die Beschichtung mit so genannten Hydrogelen“, sagt PD Dr. Michael Gottschaldt vom Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Universität Jena. „Das sind Wasser enthaltende aber wasserunlösliche Polymere, die durch ihre hydrophilen Eigenschaften aufquellen und dadurch eine abweisende Oberfläche bilden“, erklärt der Jenaer Chemiker, der zur beteiligten Forschergruppe um Prof. Dr. Ulrich S. Schubert gehört. Die Wissenschaftler der Universität Jena nutzen zur Synthese der Hydrogele vor allem spezielle Polyethylenoxid- und Poly(2-Oxazolin)-Polymere für ihre Versuche, die optimale Beschichtung für die jeweilige Anwendung zu finden. „Die Polymere werden zusätzlich miteinander vernetzt, sodass eine geschlossene Schicht entsteht“, erklärt Michael Gottschaldt. „Wie diese Beschichtungen für die unterschiedlichen Anwendungen allerdings im Einzelnen zusammengesetzt sein müssen, wollen wir im Lauf des Forschungsprojektes herausfinden.“ Vielfältige Kooperationsmöglichkeiten und Methoden stehen den Wissenschaftlern dabei innerhalb des 2010 gegründeten Zentrums der Universität, dem „Jena Center for Soft Matter“ (JCSM), zur Verfügung. Für den DNA-Nachweis etwa muss in die Beschichtung des Sensors ein Material integriert werden, das Nukleinsäuren bindet. Zur Überprüfung der verschiedenen Polymerproben drucken die Chemiker sie mit einem Tintenstrahldrucker auf Glasträger und nehmen sie unter die Lupe bzw. unter das Mikroskop.

Strukturierung der Beschichtungen auf den jeweiligen Sensoren

Mit einem anderen Druckverfahren arbeitet auch Dr. Sergiy Zankovych aus dem Team von Prof. Dr. Klaus D. Jandt. Die Wissenschaftler vom Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie (IMT) der Universität Jena wenden u. a. das Micro-Contact-Printing-Verfahren an, um die von den Chemikern entwickelten Beschichtungen auf den jeweiligen Sensoren zu strukturieren. Dadurch können sie deren Wirkungsweise verbessern und genau auf die jeweilige Anwendung zuschneiden. Natürlich müssen auch sie die verwendeten Materialien genauestens untersuchen, um Fertigungstechniken für die industrielle Herstellung zu entwickeln. Im BASIS-Projekt entwickelt das IMT physikalische Strukturierungsmethoden von Hydrogelen für die Anwendung in der mobilen Analytik.

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