Biofunctional surfaces : from materials science to bio applications
Authors:   , Balser Sebastian 
Published: October 2024

Die Oberflächenchemie ist mittlerweile in vielen chemischen, biochemischen und anderen Forschungsbereichen präsent und stellt eine interdisziplinäre Forschungsdisziplin dar. Diese Arbeit fokussierte sich auf die Interaktionen von biochemischen Systemen mit Oberflächen, insbesondere auf die Entwicklung von biochemischen Sensoren. Die Optimierung der Sensoroberfläche, insbesondere die Erhöhung der Selektivität durch die Verwendung von Polyglycerol (PG), wurde untersucht. Insgesamt wurden vier Teilprojekte durchgeführt, die sich auf die Unterdrückung unerwünschter Interaktionen, die Einführung von Bioerkennungsstellen, die Stabilisierung von PG-Filmen und die Entwicklung eines leitfähigen Hybridmaterials konzentrierten. Teilprojekt 1: Stabilisierung von PG-Filmen durch Quervernetzung Im ersten Abschnitt wurde die Stabilisierung von PG-Filmen durch eine oberflächeninitiierte ringöffnende Polymerisationsreaktion auf SiOx-Substrate realisiert. Dabei wurde die Dicke der Filme (10, 50 und 100 nm) über die Reaktionszeit kontrolliert. Die Quervernetzung erfolgte mit Ethylenglycoldiglycidylether (EGDGE), Divinylsulfon (DVS), Glutaraldehyd (GA), 1,11-Di(mesyl-oxy)-3,6,9-trioxaundecan (TEG-Ms2) und 1,11-Dibrom-3,6,9-trioxaundecan (TEG-Br2). Die Wahl des Quervernetzungsmittels zeigte signifikante Auswirkungen auf die Dicke der Filme und deren Biorepulsivität. Insbesondere die Untersuchungen an PG-EGDGE-Filmen waren vielversprechend, da sie nicht nur Biorepulsivität zeigten, sondern auch eine hohe mechanische Stabilität aufwiesen. Die Erkenntnis, dass dünnere Filme mit einem höheren Elastizitätsmodul gewünscht waren, erforderte eine gezielte Auswahl des Quervernetzungsmittels. Teilprojekt 2: Einführung einer Bioerkennungsstelle auf einem EGDGE-quervernetzten PG-Film Im nächsten Abschnitt wurde die Einführung einer Bioerkennungsstelle auf einem EGDGE-quervernetzten PG-Film erforscht. Hierbei kam ein Nitrilotriessigsäure (NTA)-Derivat (NTA4-Cyclen) zum Einsatz, um Histidin (His)-Tag-markierte Proteine selektiv zu binden. Die Modifikation erfolgte durch die Polymerisation von Glycidol auf ein amino-terminiertes Disulfid, gefolgt von einer Quervernetzung mit EGDGE. Die optimierte Synthese des NTA-Derivats ermöglichte nicht nur die erfolgreiche Anbindung von His-markierten Proteinen, sondern auch eine quasi-reversible Anbindung. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Regenerierbarkeit von biochemischen Oberflächen. Teilprojekt 3: Entwicklung eines leitfähigen und biorepulsiven Hybridmaterials Das dritte Teilprojekt konzentrierte sich auf die Entwicklung eines leitfähigen und biorepulsiven Hybridmaterials. Ein PG-funktionalisiertes Pyrrol-Derivat (PyPG) wurde elektrochemisch polymerisiert, wodurch Netzwerke aus PG-funktionalisierten Polypyrrol-Strängen (PPG) auf Goldoberflächen entstanden. Die Elektropolymerisation wurde detailliert durch Cyclovoltammetrie (CV) und einer Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) charakterisiert. Dabei konnte ein selbstterminierender Mechanismus identifiziert werden, der von der Anwesenheit der verzweigten PG-Gruppen dominiert wird. Mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wurde gezeigt, dass dünnere Schichten mit geringerer Schichtdicke hoch leitfähig sind und dass die Veränderungen der Leitfähigkeit tatsächlich nur durch die äußere Oberflächenschicht bestimmt wird. Die Biorepulsivität des Materials wurde durch Proteinadsorptions- und Bakterienadhäsions-Assays nachgewiesen. Der zweite Abschnitt dieses Projekts konzentrierte sich auf die Einführung einer Erkennungsstelle basierend auf Glycosiden, um nicht nur eine Oberflächenbindung, sondern auch eine Quantifizierung von Biomolekülen zu ermöglichen. Die elektrochemische Charakterisierung der Nanoschichtsysteme zeigte eine sehr gute Linearität der Ladungsübertragungsadmittanz (Sct) in Abhängigkeit von der Anbindung der Bakterienstämme. Dies eröffnet Perspektiven für die selektive Quantifizierung von biologischen Analyten mittels elektrochemischer Methoden.