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Polymerbeschichtungen aus dem Molekülbaukasten

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Von SURMOF zu SURGEL

Bei der Synthese der biokompatiblen SURGELs wird zunächst auf einer Oberfläche eine dünne SURMOF-Schicht aufgewachsen. In einem zweiten Schritt vernetzen wir die organischen Baueinheiten des MOF-Gitters mit speziellen Verbindern (grün in Abb. 1). Dazu verwenden wir Moleküle mit so genannten Azidgruppen, die unter recht milden Bedingungen rasch mit Dreifach-Bindungen reagieren. Dieser Reaktionstyp wird auch als „Klick-Chemie“ bezeichnet. Anschließend werden die Kupferionen aus dem Gitter herausgelöst. Zurück bleibt eine gleichmäßig dicke und stabile Schicht eines porösen Polymers. Aus dem SURMOF entsteht so ein stabiles poröses Gel (SURGEL), das für biologische und medizinische Anwendungen hervorragend geeignet ist. Die für das Einlagern von Biomolekülen und das biologische Verhalten entscheidende Größe der Poren kann durch die Wahl des Ausgangs-MOFs in weiten Grenzen eingestellt werden. Die größten bisher realisierten Poren haben eine Größe von 10 x 10 x 10 nm3, bieten also sogar schon Platz für Proteine.

Die Poren der Substanz können dabei an die verschiedenen Arten von Biomolekülen, etwa Antibiotika oder Proteine, die Infektionen unterdrücken oder das Zellwachstum fördern, angepasst werden.

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Zucker für grüne Bakterien

Dass sich die SURGELs besonders gut für medizinische und biologische Anwendungen eignen, haben wir mit einem Experiment demonstriert, bei dem wir die Polymerbeschichtung mit Arabinose, einem Einfachzucker, beladen haben. Dieses Beladen erfolgt durch einfaches Einlegen in eine entsprechende Lösung. Anschließend wurde die SURGEL-Beschichtung mit Bakterien besiedelt. Ein erstes, positives Ergebnis war, dass diese Besiedlung pro-blemlos verlief, die Kleinstlebewesen akzeptierten das SURGEL als Lebensgrundlage und vermehrten sich ohne Anzeichen einer Störung. Um den Nachweis zu erbringen, dass die im SURGEL gespeicherten Moleküle freigesetzt werden, haben wir eine spezielle Variante von Mikroben eingesetzt. Bei diesen gentechnisch veränderte Organismen ist der Stoffwechsel so verändert, dass sie grün fluoreszieren, wenn sie Arabinose aufnehmen (s. Abb. 2).

Nach dem Besiedeln der SURGEL-Schichten zeigte sich nun in der Tat, dass jene Zellen, die sich direkt auf die Oberfläche des Polymers angehaftet hatten, grün aufleuchteten. Kontrollexperimente an Schichten, die nicht mit dem Zucker beladen worden waren, zeigten keinen Effekt – das effiziente Aufnehmen der Zuckermoleküle erfolgt also nur bei direkt auf den beladenen Bereichen angehefteten Mikroben.

Obwohl es bis zum Einsatz dieser neuen Materialien zur Beschichtung von Implantaten noch ein sehr weiter Weg ist, sind diese ersten Experimente sehr erfolgversprechend. Es kann davon ausgegangen werden, dass eventuell bei der weiteren Entwicklung auftretende Probleme, aufgrund der außerordentlich hohen Flexibilität dieser Materialklasse schnell identifiziert und überwunden werden können.

Literatur:

[1] Manuel Tsotsalas, Jinxuan Liu, Beatrix Tettmann, Sylvain Grosjean, Artak Shahnas, Zhengbang Wang, Carlos Azucena, Matthew Addicoat, Thomas Heine, Joerg Lahann, Jörg Overhage, Stefan Bräse, Hartmut Gliemann, and Christof Wöll: Fabrication of Highly Uniform Gel Coatings by the Conversion of Surface-Anchored Metal−Organic Frameworks. JACS – Journal of the American Chemical Society. DOI:10.1021/ja409205s

* Prof. Dr. C. Wöll und Dr. M. Tsotsalas: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)/Campus Nord, Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) Chemie Oxidischer und Organischer Grenzflächen

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