Polymerchemie

Abbildung 1: Vergleich simulierter Gaussverteilungen zur Illustration des Effektes der Dispersität D auf die Streuung der Molmasse M in Polymeren mit einer Molmasse von 40 kg/mol

Der Schwerpunkt der Polymersynthese in der Gruppe von Prof. Luxenhofer liegt  in der Herstellung definierter makromolekularer Strukturen. In vielen technischen Anwendungen spielt die Dispersität von Polymeren ("Ungleichheit" der Polymerketten) eine wichtige Rolle, jedoch sind hochdefinierte Polymere häufig nicht nötig und unter Umständen sogar abträglich. Gerade für biomedizinische Anwendungen sind definierte Materialien und reproduzierbare Synthesen jedoch von größter Wichtigkeit; vor allem für Systeme, welche injiziert werden sollen (parenterale Gabe).

Dies kann durch eine Gegenüberstellung von verschiedenen berechneten Molmassenverteilungen verdeutlicht werden. Dispersitäten   (Đ = Mw/Mn)[1] im Bereich von 1,2 bis 2 (welche in der Regel durch freie oder reversible deactivation radical polymerization erhalten werden) bedeuten, dass eine extrem große Vielfalt an Molekülgrößen in der Mischung enthalten sind (Abbildung 1). Da biologische Systeme teils extrem sensibel auf die Molmasse und Dispersität von Polymeren reagieren [2-4], kann letztere im biologischen Kontext kritisch werden. Häufig werden Dispersitäten von ca. Đ < 1,2 als ausreichend angenommen. Doch auch bei diesem Wert ist die tatsächliche Streuung von Molmassen immer noch beträchtlich. Wie in Abbildung 1 deutlich zu erkennen ist, sind erst Polymere mit Đ < 1,05 tatsächlich halbwegs eng verteilt. Aus diesem Grund sollte stets versucht werden, die Molmassenverteilung auf ein Minimum zu reduzieren und deutlich unter einem Wert von Đ = 1,2 zu bleiben.

Abbildung 2: Schematische Darstellung von Poly(2-oxazolin)en (a) und Polypeptiden (b)

In der Realität ist dies jedoch häufig nur sehr schwer und mit relativ wenigen Materialplattformen zu erreichen. Leider sind diese Materialien häufig nur bedingt als Biomaterialien geeignet. Auf biotechnologischem Wege lassen sich „perfekte“, sogenannte monodisperse Polymere synthetisieren.[5-8] Diese ist jedoch im wesentlichen auf Polypeptide beschränkt, weshalb chemisch-synthetische Alternativen interessant bleiben. In der Gruppe Luxenhofer wird versucht solche Alternativen zu entwickeln und neue Synthesewege für hochdefinierte Biomaterialen zu erforschen.

Die kationische Ringöffnungspolymerisation von 2-Oxazolinen (Abbildung 2a) und die nukleophilie Ringöffnungspolymerisation von N-substituierten N-carboxyanhydriden (Abbildung 2b) erlaubt die Synthese einer Vielzahl unterschiedlicher funktioneller und dabei hochdefinierter Materialien.[9-14] Darüber hinaus werden auch anderen alternative Materialplattformen untersucht.

 

Literatur:

[1] R. F. T. Stepto, Polymer Int., 2010, 59, 23.

[2] P. K. Dhal, S. C. Polomoscanik, L. Z. Avila, S. R. Holmes-Farley, R. J. Miller, Adv. Drug. Deliv. Rev., 2009, 61, 1121 .

[3] Y. Nemoto, A. Borovkov, Y. M. Zhou, Y. Takewa, E. Tatsumi, Y. Nakayama, Bioconjug. Chem., 2009, 20, 2293.

[4] M. Barz, R. Luxenhofer, R. Zentel, M. J. Vicent, Polym. Chem., 2011, 2, 1900.

[5] D. A. Tirrell, M. J. Fournier, T. L. Mason, Curr. Opin. Struct. Biol., 1991, 1, 638 .

[6] A. Chilkoti, M. R. Dreher, D. E. Meyer, Adv. Drug. Deliv. Rev., 2002, 54, 1093.

[7] A. J. Simnick, D. W. Lim, D. Chow, A. Chilkoti, Polymer Rev., 2007, 47, 121.

[8] J. A. Johnson, Y. Y. Lu, J. A. V. Deventer, D. A. Tirrell, Curr. Opin. Chem. Biol., 2010, 14, 774 .

[9] R. Luxenhofer, Y. Han, A. Schulz, J. Tong, Z. He, A. V. Kabanov, R. Jordan, Macromol. Rapid Commun., 2012, 33, 1613.

[10] R. Hoogenboom, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 7978.

[11] K. Knop, R. Hoogenboom, D. Fischer, U. S. Schubert, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 6288.

[12] C. Fetsch, A. Grossmann, L. Holz, J. F. Nawroth, R. Luxenhofer, Macromolecules, 2011, 44, 6746.

[13] C. Fetsch, R. Luxenhofer, Macromol. Rapid. Commun., 2012, 33, 1708.

[14] D. Zhang, S. H. Lahasky, L. Guo, C. -U. Lee, M. Lavan, Macromolecules, 2012, 45, 5833.