Sollbruchstellen im Rückgrat: Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung

05.12.2016 - USA

Die Polymerisation durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) ist eine einfache Methode zur Modifizierung von Oberflächen, mit der sich auch topologisch anspruchsvolle Substrate sehr gleichmäßig mit Polymeren beschichten lassen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Forscher jetzt erstmalig eine CVD-Methode vor, die zu abbaubaren Polymeren führt. Über spezielle Seitengruppen lassen sich Biomolekülen oder Wirkstoffe anknüpfen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, etwa für die Beschichtung bioabbaubarer Implantate.

Bei der CVD-Polymerisation werden die Ausgangsverbindungen verdampft, bei hoher Temperatur aktiviert und auf Oberflächen abgeschieden, wo sie dann polymerisieren. Im medizinischen Bereich werden z.B. Substrate für Implantate beschichtet, um funktionelle Gruppen als Anker für die Anknüpfung von Biomolekülen oder Wirkstoffen einzuführen. Allerdings konnten so bisher lediglich dauerhafte Implantate beschichtet werden, nicht aber Materialien, die nach Erfüllung ihrer Aufgabe abgebaut werden sollen, wie chirurgische Nahtmaterialien, Systeme zur gesteuerten Abgabe von Wirkstoffen, Medikamente freisetzende Stents oder Gerüste für die Gewebezucht. Denn per CVD ließen sich bisher keine abbaubaren Beschichtungen realisieren.

Jetzt schließt sich diese Lücke, denn die Wissenschaftler von der University of Michigan (Ann Arbor, USA), der Northwestern Polytechnical University (Xi'an, China) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT, Eggenstein-Leopoldshafen) haben erstmalig ein CVD-Polymer mit abbaubarem Rückgrat synthetisiert. Dies gelang dem Forscherteam um Jörg Lahann durch Co-Polymerisation zweier spezieller Monomertypen: Die bisher für dieses Verfahren eingesetzten Paracyclophane wurden mit zyklischen Keten-Acetalen kombiniert. Während die klassischen Polymere auf Basis der Paracyclophane ausschließlich über Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen verknüpft sind, lagert sich das Keten-Acetal während der Polymerisation so um, dass Ester-Bindungen (also eine Bindung zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen) innerhalb des Polymerrückgrates entstehen. Und Esterbindungen lassen sich in wässriger Umgebung spalten.

„Wie schnell der Abbau erfolgt, hängt vom Mengenverhältnis der beiden Monomer-Arten sowie von den Seitengruppen der Monomere ab“, erläutert Lahann. „Polare Seitengruppen machen den Polymerfilm weniger wasserabweisend und beschleunigen den Abbau, da leichter Wasser eindringen kann. Die Abbaugeschwindigkeit kann so der entsprechenden Anwendung angepasst werden.“ An Zellkulturen wiesen die Forscher nach, dass weder das Polymer noch dessen Abbauprodukte toxisch sind.

Das Team stellte Polymerfilme her, die mit funktionellen Seitengruppen als „Verankerungspunkte“ für Moleküle ausgestattet waren, an die sie Fluoreszenzfarbstoffe und Biomoleküle andocken ließen. „Unsere neuen abbaubaren Polymerfilme könnten breite Anwendung für die Funktionalisierung und Beschichtung von Oberflächen finden, in den Biowissenschaften über die Medizin bis hin zur Lebensmittelverpackung“, so Lahann.