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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-36990
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3699/


Bieser, Arno Meinrad

Oberflächenmodifizierung durch Hydrogelierung und durch Beschichtung mit antimikrobiellen Cellulosederivaten

Surface modifications by hydrogelation and by coating with antimicrobial cellulose derivatives

Dokument1.pdf (9.567 KB) (md5sum: 1e513429068398b9f4c7578fbbc2d504)

Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der oberflächeninduzierten Aufkonzentration von funktionellen Hydrogelatoren sowie der Darstellung von Oberflächen mit kontaktaktiven antimikrobiellen Gruppen.
Ziel des ersten Teils der Arbeiten war die Herstellung und Charakterisierung eines Hydrogelators. Dieser sollte dazu dienen, die Möglichkeit lokaler und oberflächeninduzierter Selbstanreicherung durch Hydrogelierung als Grundlage für die Herstellung effizienterer Wirkstoffe zu erforschen.
Dazu wurde in einem Parallelansatz eine Anzahl neuer Azofarbstoffe auf Basis von 2 Naphthol 6 sulfonsäurenatriumsalz und verschiedenen o-, m- und p- alkylierter Aniline hergestellt, und diese auf ihre Gelierungsfähigkeit hin untersucht. Ein Derivat erwies sich als Hydrogelator welcher beim Abkühlen in wässriger Lösung bei Konzentrationen von mindestens 5 Gew.-% Gele bildet. Mit Hilfe dieses Farbstoffs wurde die Möglichkeit zur oberflächeninduzierten Konzentrierung untersucht, indem mit Aminogruppen funktionalisierte Gläser in verdünnte Lösungen dieses Farbstoffs eingestellt wurden. Es hat sich gezeigt, dass eine signifikante Anreicherung auch aus Lösungen mit nur 2% der minimalen Gelierungskonzentration stattfindet. Im weiteren Verlauf konnte die Strukturierung in den Gelen dieses Farbstoffs durch die systematische Anwendung vielfältiger Analytikmethoden aufgeklärt werden. Außerdem wurde gezeigt, dass sich die Methode zur Abscheidung von Molekülen auf Oberflächen mit molekularen Erkennungsstrukturen auch zum Finden der thermodynamisch stabilsten Zustände von Systemen eignet.
Des weiteren sollten kontaktaktiv-antimikrobielle, wasserunlösliche und bioabbaubare Polymere als Materialien für selbstreinigende, biozide Oberflächenbeschichtungen hergestellt und deren antimikrobielle Wirkmechanismen untersucht werden. Ausgehend von verschiedenen Tosylcellulosen wurde dazu zum einen eine Reihe von Copolymeren durch die grafting-from-Methode mit 2 Ethyl 1,3-oxazolin hergestellt. Die Terminierung erfolgte mittels N,N Dimethyldodecylamin (DDA) und N,N Dimethylbutylamin (DBA). Außerdem wurden die Tosylcellulosen in polymeranalogen Umsetzungen auch unmittelbar mit diesen Aminen zur Reaktion gebracht. Die Produkte wurden auf ihre antimikrobielle Wirksamkeit hin untersucht. Dabei erwiesen sich sämtliche DDA terminierte Copolymere als biozid, während sich bei den Ammoniumcellulosen Abhängigkeiten vom Substitutionsgrad derselben sowohl bezüglich der Ammoniumgruppen als auch – im Falle der DBA-Derivate – bezüglich des Tosylierungsgrads zeigten. Damit konnte auf einen auf Lipidabsorption basierenden Wirkmechanismus bei diesen Systemen geschlossen werden. DBA-terminierte Copolymere erwiesen sich im Gegensatz zu den DDA-terminierten Analoga als nicht antimikrobiell. Bei diesen Systemen kann damit ein Wirkmechanismus durch Penetration der Zytoplasmamembran angenommen werden. Die Bioabbaubarkeit der Produkte wurde durch Behandlung von Polymerfilmen mit Cellulasesuspensionen untersucht. Ammoniumcellulosen zeigen ein substitutionsgradabhängiges Abbauverhalten. Hohe Gesamtsubstitutionsgrade führen zu einer eingeschränkten Bioabbaubarkeit. Dagegen sind Derivate mit Substitutionsgraden um 0,50 durch Cellulase abbaubar. Copolymere werden ebenfalls abgebaut. Allerdings findet hier der Abbau verlangsamt statt. Dies ist auf den sterischen Anspruch der Polyoxazolinseitenketten zurückzuführen.
Durch die Behandlung von Oberflächenfilmen mit Liposomen mit anionischen Lipidanteilen konnten die Ammoniumcellulosen desaktiviert werden. Dieser Befund belegt die Richtigkeit der Annahme, dass hier die Wirksamkeit ausschließlich durch Lipidabsorption bewirkt wird. Derart desaktivierte Oberflächen wurden anschließend wiederum mit Cellulase behandelt. In den nachfolgenden Bakterientests wiesen sie erneut antimikrobielle Aktivität auf. Dies belegt zum einen wiederum die Bioabbaubarkeit, zeigt zum anderen aber auch die erfolgreiche Synthese selbstreinigender Systeme. Damit konnten sämtliche angestrebte Eigenschaften in den Cellulosederivaten realisiert werden. Außerdem konnten bessere Einblicke in die antimikrobiellen Wirkmechanismen der verschiedenen Systeme erlangt werden.


Kurzfassung in Englisch

The present thesis describes the surface-induced aggregation of hydrogelators on attracting surfaces as well as the development of contact-active antimicrobial surfaces.
Aim of the first part of this thesis was the synthesis and characterization of a low molecular weight hydrogelator. With the help of this compound, the possibility of surface-induced hydrogelation was to be explored as basis for the mimicking of surface gelation as a process of biological relevance. Therefor, structurally different anionic azo dyes have been prepared as model compounds. One of them 1-(2-n-Hexylphenylazo)-2-hydroxy-6-naphthalenesulphonate (OHD), was able to yield a stable and thermoreversible hydrogel at concentrations of about 5 wt% in water.
Having established that OHD is an anionic hydrogelator, it was then investigated if the compound is capable of gelling on a recognizing surface, such as an oppositely charged material. For this purpose, commercial glass slides have been modified with amino groups. Then, aqueous solutions of OHD in a concentration range of 0.05 to 0.30 wt%, which is far below the MGC of 5 wt%, were prepared and the glass slides have been immersed into these solutions. After 16 h, the slides were removed and the dye amount on the surface was determined by UV/VIS-spectroscopy. It showed, that the concentration of the dye adsorbed on the amino glass slides already increases significantly at a minimum concentration of about 0.10 wt% of OHD, which can be considered as minimal surface gelation concentration (MSGC). The gelling azo-dye OHD is truly surface concentrated by hydrogelation. Plain glass did not concentrate OHD at all, i.e. the adsorption of the dye is specific to the amino glass.
In the following, various analytical techniques such as nuclear magnetic resonance (NMR), rheology, X-ray scattering, birefringence and microscopy were applied to gain better insight in the structure of the gel. Combining the structural information gathered by these investigations, a model of the hierarchical self-assembly of OHD was proposed.
Further more, it was tried to synthesize contact-active antimicrobial, water insoluble and biodegradable polymers for applications as self-polishing coatings. The strategy for the accomplishment was the grafting of antimicrobial poly(oxazoline) side chains to the biodegradable but non soluble polymeric backbone of cellulose with the intention, that the side-chains would provide biocidal activity, whereas biodegradation of the backbone would lead to water soluble fragments, that could be washed away to release a fresh surface with antimicrobial activity. Therefore, a series of different cellulose tosylates was synthesized as macro initiator for the ring opening polymerization of 2-ethyl-1,3-oxazoline. The grafting reactions were then carried out in chloroform under several conditions. In the end of the reactions, the living chain ends were terminated by the addition of an excess of N,N-dimethyldodecylamine (DDA) or N,N-dimethylbutylamine (DBA) to give side chains with antimicrobial end groups. Additionally, cellulose tosylates have been reacted directly with the amines to give the ammonium derivatives. This was done in order to examine whether the antimicrobial activity depends on a polymeric spacer and/or the type of alkyl substituent of the amine. The products have then been used to coat surfaces and the antimicrobial activity of these surfaces has been tested.
All of the copolymer coatings with a DDA end-group effectively killed bacteria of Staphylococcus aureus whereas the ammonium derivatives showed a remarkable dependency of their antimicrobial activites from their degree of substitution with ammonium groups and – for the DBA derivatives – also of their degree of substitution with tosylate. Further more, the ammonium derivatives could be deactivated by treatment of the surfaces with suspensions of negatively charged liposomes whereas the copolymers retained their activity after such treatment. These findings lead to the conclusion, that the antimicrobial activity of the systems is based on two different mechanisms. Thereby, the copolymers actively penetrate the bacterial membrane with the help of their antimicrobial end-group that is attached to the polymeric spacer of the poly(oxazoline) side chains. This penetration then causes the death of the bacteria. The ammonium derivatives on the other hand kill bacteria by adsorption of negatively charged lipids from the membranes.
Finally, the biodegradability of some derivatives was tested by treating them with suspensions of cel-lulase isolated from Trichoderma reesei. In these investigations, ammonium celluloses showed clearly distinguishable extents of degradation depending on their degree of substitution. Higher substituted derivatives could be degraded to a much lower extend than products with lower degrees of substitution. Also the copolymer could be degraded. However, the extend of the degradation is lower than for most of the ammonium derivatives which can be attributed to the sterical demand of the polyoxazoline side chains.


SWD-Schlagwörter: Hydrogel , Selbstorganisation , Kationische Polymerisation , Lebende Polymerisation , Ringöffnungspolymerisation , Polymeranaloge Reaktion
Freie Schlagwörter (deutsch): Supramolekular , antimikrobiell , kontaktaktiv , Cellulose
Freie Schlagwörter (englisch): Supramolecular , Hydrogelator , antimicrobial , self-polishing , contact active
Institut: Institut für Makromolekulare Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Tiller, Joerg (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.11.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 05.12.2007
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