Funktionale polymere Schäume

Offenporige polymere Schäume sind interessante Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen, vor allem als Adsorbermaterialien für die Stofftrennung oder Stoffanreicherung, als Trägermaterial für die Chemo- oder Biokatalyse sowie als dreidimensionale Träger für mammalische Zellen oder Mikroorganismen. Durch geeignete Additive leitfähig gestaltete Schäume eignen sich sogar als Elektrodenmaterial für Biobrennstoffzellen. Für die genannten Anwendungen muss in der Regel die innere Oberfläche der Poren mit funktionellen Gruppen oder Molekülen ausgerüstet werden. Je nach Porenstruktur und Art des für den Schaum verwendeten Polymers ist dies bisher nicht oder nur mit großem Aufwand möglich.

Zur einfachen Herstellung von makroporösen Polymerschäumen mit funktionellen Gruppen, die über sogenannte Click-Reaktionen leicht umgesetzt werden können, haben wir eine einstufige Synthesestrategie entwickelt.

Dazu wurde über ein Emulsionspolymerisationsverfahren (high internal phase emulsion) ein vernetzter, Azid-Funktionen enthaltender Polymerschaum hergestellt. Die organische Phase enthält dabei das Monomer, den Vernetzer und ein Tensid. Die wässrige Phase, die zusammen mit der organischen Phase in ein Reaktionsgefäß gegeben wird, enthält den Initiator für die radikalische Polymerisation (Bild 2).

Das als Beispiel in Bild 2 gezeigte hergestellte Material besitzt eine Porosität von ca. 90 Prozent. Die Struktur mit offenen Makroporen im Bereich von ca. 5–10 µm und Mikroporen unterhalb von 1 µm zeigt die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in Bild 3.

Azid-Funktionen können unter sehr milden Bedingungen, wie sie beispielsweise Biomoleküle benötigen, und nebenreaktionsfrei mit Alkin-Funktionen reagieren (Click-Reaktion). Die Anbindung von niedermolekularen Verbindungen und auch Polymeren an die innere Oberfläche des synthetisierten Schaumes über eine Azid-Alkin-Cycloaddition (Bild 4) konnten wir am Beispiel von Propargylalkohol (Bild 4A) und Propargyl-Poly(methylmethacrylat) (Bild 4B) zeigen.

Für Anwendungen des Materials als Träger für Zellen ist dessen Biokompatibilität eine notwendige Voraussetzung. Erste Tests mit humanen Hautzellen auf den PMMA-modifizierten Schäumen zeigten nach einer Inkubationsdauer von 24 Stunden eine verbesserte Adhäsion der Zellen im Vergleich zum unmodifizierten Schaum. Lebend-Tot-Färbungen der auf der Oberfläche für 24 Stunden kultivierten humanen Zellen zeigten eine hohe Lebendzellzahl.

Im Unterschied zu konventionellen Polymerschäumen wird hier nicht das fertige Polymer geschäumt. Das Material besitzt also alle Vorteile eines synthetisch herstellbaren Polymers. Durch seine vernetzte Struktur ist das Material stabil gegenüber organischen Lösemitteln. Darüber hinaus erlaubt die Freiheit in der Wahl der chemischen Bausteine ein gezieltes Einstellen von gewünschten Eigenschaften wie beispielsweise Hydrophilie oder Elastizität.

Nachdem die Machbarkeit der Herstellung leicht modifizierbarer Polymerschäume mit geeigneter Porosität in einer einstufigen Synthese gezeigt werden konnte, soll das makroporöse Material so weiterentwickelt werden, dass es für die Besiedelung mit mikrobiellen Zellen zur Stoffanreicherung eingesetzt werden kann.

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung des Projekts »Bakterien hinter Gittern zur Rückgewinnung von Phosphor« im Rahmen des Fraunhofer-Symposiums Netzwert 2011.