Elektrochemisch erzeugte, strukturierte Hydrogel-Filme für sensorische Anwendungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt befasste sich mit dem Verständnis von elektrochemisch erzeugten responsiven Hydrogel-Filmen, der gezielten Einstellung von deren Eigenschaften, der lateralen Strukturbildung, sowie denkbaren Anwendungen. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Der Herstellung der Filme erfolgt in der Regel über eine Fällungspolymerisation. Dies ist insbesondere für das Material poly(N-isopropylacrylamid) (pNIPAM) gut gesichert. pNIPAM ist bei Raumtemperatur in den verwendeten Elektrolytlösungen nicht löslich. Die Polymerisation in eine dichte Polymerphase hinein ist wesentlich für die Entstehung kohärenter, stabiler Filme. Wenn die pNIPAM Filme nach der Herstellung reinem Wasser ausgesetzt werden, zeigen sich die für pNIPAM charakteristischen Quellungs- und Entquellungsvorgänge. Die Filme sind in diesem Sinne schaltbar. In Elektrolyten hängt die Übergangstemperatur nicht nur von der Salzkonzentration, sondern auch vom Typ des Salzes ab. Es gibt eine gute Korrelation zwischen der LCST und der Position des betreffenden Salzes in der Hofmeister-Reihe. Die Filme zeigten oft laterale Heterogenitäten. Dabei findet man sowohl kleinräumige globuläre Strukturen, als auch etwas großräumige Falten und Vertiefungen. Die ersteren kann man – auch wenn der Mechanismus im Detail nicht ganz verstanden ist – als oberflächengebundene Mikrogel-Partikel deuten. Bei den letzteren Strukturen handelt es sich um die Überreste von Gasblasen, die sich unter dem Polymerfilm unter kathodischen Bedingungen gebildet haben. Der Zusatz von Kettenüberträgern senkt die Tendenz zur Bildung der globulären Strukturen. Wenn man die Gegenelektrode als eine Kapillare ausführt, kann mit der Gegenelektrode auf der Arbeitselektrode „schreiben“. Diese „lithographische Modus“ ist an das Vorhandensein von Gasblasen gekoppelt. An der Drei- Phasen-Grenzlinie ist die Polymerisationsrate erheblich erhöht. Elektrochemisch induzierte Polymerisation ist zwar mit pNIPAM besonders einfach, aber nicht auf diese Monomere beschränkt. In diesem Projekt wurde auch Acrylsäure und Oligoethylenglyclolmethacrylat (OEGMA) polymerisiert. Es muss jedoch eine gewisse Löslichkeit in Wasser gegeben sein. − Es wurden organisch-anorganische Komposit-Filme hergestellt, bei denen elektrochemisch induzierte Polymerisation (ECIP) und ein elektrochemisch induzierter Sol-Gel Prozess (Kondensation von silikatischen Materialien) parallel ablief. Es wurde ein Anwendungspotenzial für elektrochemische Biosensoren demonstriert. In die Filme eingebettete Glucose-Oxidase (GOx) zeigte Michaelis-Menten Verhalten. Die Michaelis-Menten Parameter hingen von der Temperatur (also dem Quellungsgrad des Gels) ab. Nachdem der Quellungsgrad einen Einfluss auf die Zugänglichkeit des aktiven Zentrums für Analyten variabler Größe hat, kann man möglicherweise über die Temperaturabhängigkeit zwischen verschiedenen Analyten differenzieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Production of Polyacrylic Acid Homo- and Copolymer Films by Electrochemically Induced Free-Radical Polymerizaiton: Preparation and Swelling Behavior. Macromolecular Symposia 2007, 248, 207-212
Bünsow J., Johannsmann D.
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Electrochemically produced responsive hydrogel films: Influence of added salt on thickness and morphology. Journal of Colloid and Interface Science 2008, 326, (1), 61-65
Bünsow, J.; Johannsmann, D.
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Electrochemically Induced Formation of Surface-Attached Temperature-Responsive Hydrogels. Amperometric Glucose Sensors with Tunable Sensor Characteristics. Electroanalysis 2009, 22, (9), 978-984
Bünsow, J.; Enzenberg, A.; Pohl, K.; Schuhmann, W.; Johannsmann, D.
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Electrochemically Induced RAFT Polymerization of Thermoresponsive Hydrogel Films: Impact on Film Thickness and Surface Morphology. Macromolecular Chemistry and Physics 2009, 211, (7), 761-767
Bünsow, J.; Manz, M.; Vana, P.; Johannsmann, D.
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Patterned Hydrogel Layers Produced by Electrochemically Triggered Polymerization. Macromolecular Rapid Communications 2009, 30, (9-10), 858-863
Bünsow, J.; Johannsmann, D.
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Preparation of Polymer Hydrogel / Silica Composite Films by Electrochemically Triggered Deposition. Macromolecular Symposia 2009, 275-276, 250-256
Bünsow, J., Petri J., Johannsmann D.
