Supramolekulare Polymere sind eine neue Klasse von Polymeren, die derzeit für Materialanwendungen evaluiert werden. Diese interessanten Verbindungen spielen auch eine wichtige Rolle bei zellulären Aktivitäten im Körper. „Supra“ werden, wie der Name schon sagt, einige einzigartige Eigenschaften zugeschrieben, die über die herkömmlicher Polymere hinausgehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Polymeren, die durch starke, irreversible kovalente Bindungen zusammengehalten werden, werden supramolekulare Polymere durch schwächere, reversible Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten.
Supramolekulare Polymere lassen sich reversibel zusammen- und auseinanderbauen, sind äußerst vielseitig und können zur Entwicklung gezielter Medikamentenverabreichungstherapien, Sensoren zur Erkennung von Schadstoffen, diagnostischen Markern, Energiespeichergeräten, Körperpflegeprodukten sowie selbstreparierenden und recycelbaren Materialien verwendet werden. Während ihre hervorragende Recyclingfähigkeit sie zu wunderbaren Kandidatenmolekülen für nachhaltige Anwendungen macht, gibt es ein Hindernis: Die Forscher müssen noch verstehen, wie sie ihr Polymerwachstum kontrollieren können.
Allerdings gab es in dieser Hinsicht Fortschritte. Forscher sind nun in der Lage, „unwahrscheinliche“ Polymere zu bauen, indem sie ihren Zusammenbau mit „Keimen“ auslösen und so ihr Polymerwachstum kontrollieren. Es gibt zwei Hauptmechanismen, durch die diese keiminduzierte Selbstorganisation erfolgt: primäre Keimbildung oder Dehnung, bei der das Polymer von seinem Ende aus wächst; und sekundäre Keimbildung, bei der sich neue Moleküle mit dem Polymer verbinden, indem sie an seiner Oberfläche haften. Die Unterscheidung zwischen diesen Prozessen ist wichtig, da sie es Forschern ermöglicht, das Wachstum dieser einzigartigen Polymere besser zu kontrollieren und zu manipulieren. Leider kann es in den meisten Fällen der Selbstorganisation durch Keime schwierig sein, die primäre und sekundäre Keimbildung voneinander zu unterscheiden.
Um dieses Problem anzugehen, wollte eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Professor Shiki Yagai von der Universität Chiba die Auswirkungen dieser beiden Prozesse vergleichen und untersuchen und gleichzeitig die Rolle der präzise kontrollierbaren „supramolekularen Impfpolymerisation“ beschreiben. Ihr Ziel war herauszufinden, wie sich unterschiedliche Samenformen auf die Bildung neuer supramolekularer Polymere auswirken. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Chemische Kommunikation.
Prof. Yagai erzählt uns, was das Team dazu motiviert hat, dieses Forschungsthema zu verfolgen: „Aufgrund der Schwierigkeit, die Polymerisation zu kontrollieren, haben supramolekulare Polymere den Punkt der praktischen Anwendung noch nicht erreicht, obwohl seit ihrer Etablierung als Konzept drei Jahrzehnte vergangen sind.“ Er ist jedoch davon überzeugt, dass weitere Forschungen auf diesem Gebiet aufgrund ihrer Vielseitigkeit wahrscheinlich zu weitreichenden Anwendungen dieser selbstorganisierenden Polymere in unserem täglichen Leben führen werden.
Für ihre Experimente nutzten die Forscher zwei supramolekulare Polymere als „Keime“. Während in einer früheren Studie ein ringförmiger Samen mit geschlossenem Ende verwendet wurde, wurde neu ein helikoidaler Samen mit offenem Ende hergestellt. Die Forscher fanden heraus, dass der helikoidale Samen mit offenen Enden als Vorlage für die Bindung und das längere Wachstum der Zielmoleküle fungierte. Wenn andererseits der ringförmige Samen mit geschlossenen Enden verwendet wurde, verlängerte er sich nicht, sondern diente vielmehr als Oberfläche, an der sich neue Moleküle anlagern und Cluster bilden konnten, wie eine Plattform für neue Strukturen.
Diese Forschung zeigt, dass die Art der Samen, die in selbstorganisierenden supramolekularen Polymeren verwendet werden, die Art und Weise beeinflusst, wie sich die Moleküle zusammensetzen und die endgültige Form der gebildeten Strukturen. Dies eröffnet spannende Möglichkeiten für verschiedene Anwendungen, von selbstreparierenden und leichter recycelbaren Materialien bis hin zu fortschrittlicheren Medikamentenverabreichungssystemen, Sensortechnologien und Energiespeichergeräten.
Prof. Yagai erklärt: „Durch das Verständnis dieser Montageprozesse können wir die nächste Generation präziserer und umweltfreundlicherer Polymere mit maßgeschneiderten Strukturen und Eigenschaften entwerfen und entwickeln. Die praktische Anwendung supramolekularer Polymere wird es uns ermöglichen, Kunststoffmaterialien mit geringerem Energieverbrauch herzustellen.“ und den Energiebedarf für das Recycling reduzieren.“
Die Fähigkeit, diese vielseitigen, selbstorganisierenden Polymere auf molekularer Ebene zu manipulieren, bietet ein großes Potenzial für die Bewältigung komplexer Herausforderungen und die Schaffung innovativer, nachhaltiger Lösungen in Bereichen vom Gesundheitswesen bis zur ökologischen Nachhaltigkeit.
Mehr Informationen:
Hiroki Itabashi et al., Verschiedene Saattopologien ermöglichen den Vergleich von Elongations- und sekundären Keimbildungswegen bei der supramolekularen Impfpolymerisation, Chemische Kommunikation (2023). DOI: 10.1039/D3CC01587D
Zur Verfügung gestellt von der Universität Chiba