Functional Nanocoatings Inspired by Natural Polyphenols
Creators: name: Behboodi Sadabad, Farid
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: photopatterning
plant phenolic compound
UV-induced polymerization
surface functionalization
resorcinarene
thiol−ene photochemistry
wettability

description: Die Entwicklung einfacher und vielseitiger Oberflächenmodifizierungsstrategien ist von großer Relevanz in Wissenschaft und Technologie, um funktionelle Oberflächen mit maßgeschneiderten Eigenschaften, wie Adhäsion, Benetzbarkeit oder Bioaktivität zu konzipieren. Große Bemühungen wurden der Expansion der existierenden Oberflächen-modifizierungstoolbox zur Darstellung funktioneller Oberflächen gewidmet, welche u. a. self-assembled monolayer (SAM), funktionalisierte Silane, Langmuir-Blodgett Abscheidung, und layer-by-layer Abscheidung beinhaltet. Ein weiteres Werkzeug, welches räumliche und zeitliche Kontrolle über den Oberflächenmodifizierungsprozess erlaubt, sind photo-basierte Techniken. Kürzlich wurden, inspiriert von der auf einer Vielzahl von Substraten starken Adhäsion natürlicher in Foot Proteinen von Muscheln (mfp) vorkommender Polyphenole und adhäsiver, pflanzlicher Phenolverbindungen, substratunabhängige Beschichtungsvorläufer entwickelt. Das Hauptaugenmerk dieser Promotionsarbeit ist die Einführung von Strategien zur photo-induzierten Polymerisation, Abscheidung und Oberflächenstrukturierung pflanzlicher Polyphenole. Zudem werden als Resorcinarene bekannte makrocyclische, synthetische Polyphenole genutzt, um die Oberflächen einiger Substrate zu funktionalisieren.
In Kapitel 1 beschreibt eine Einleitung den aktuellen Fortschritt im Feld Muschel-inspirierter, substratunabhängiger Nanobeschichtungen. Im Anschluss werden die Darstellung und Adhäsionseigenschaften Muschel-inspirierter Nanobeschichtungen und der Einsatz günstiger, pflanzlicher Polyphenole und derer Bausteine als Vorläufer für die Herstellung multifunktionaler, universeller Beschichtungen geschildert.
In Kapitel 2 wird die UV-induzierte Oxidation und Polymerisierung von pflanzlichen Phenolen wie Tanninsäure (TA), Kaffeesäure (CA), Gallussäure (GA) und Pyrogallol (PG) in saurem, neutralen und basischen Milieu beschrieben. Durch Erniedrigung des pH-Wertes der Polyphenollösung bis hin zu sauren Bedingungen konnte die Autooxidation der Polyphenole unter Lichtausschluss verhindert werden, während aus derselben Lösung durch Bestrahlung mit UV Licht die Polymerisation, Abscheidung und Oberflächenstrukturierung induziert werden konnte.
In Kapitel 3 wird eine von der Natur inspirierte Strategie beschrieben, welche die Autooxidation einer kleinen Bibliothek von neun Polyphenolen unter basischen Bedingungen (pH 8.0) verzögert und behindert. Durch Nutzung der drei natürlichen Antioxidantien Natriumascorbat (SA), Glutathion (GSH) und Harnsäure (UA) wurde die Oxidation der Phenolverbindungen verlangsamt. Die Bestrahlung der Lösung von Polyphenolen und Antioxidantien mit UV-Licht konnte die Oxidation und Polymerisierung initiieren, was genutzt wurde um Muster im Mikromaßstab von verschiedenen pflanzlichen Polyphenolen auf einer Oberfläche zu erzeugen. Es war möglich die Oxidation und Polymerisation in Anwesenheit von Antioxidantien zu kontrollieren, was einheitlichere Polyphenol Nanobeschichtungen auf der Oberfläche ermöglichte.
In Kapitel 4 wird die Oberflächenmodifizierung einer Vielzahl von Substraten mittels Tauchbeschichtung unter Verwendung verdünnter Lösungen von makrocyclischen, als Resorcin[4]arene bekannten Polyphenolen beschrieben. Einerseits tragen acht Hydroxylgruppen dieser bifunktionellen Resorcin[4]aren-Molekülen zur Adhäsion bei, da sie als mehrfache Ankerpunkte zur Oberfläche dienen. Andererseits kann der untere Rand mit unterschiedlichen Seitenketten versehen werden, um erwünschte chemische und physikalische Funktionalitäten an der Substratoberfläche einzuführen. Eine Resorcin[4]aren-Verbindung mit vier Alkenyl-Gruppen am unteren Rand (C-dec-9-enylresorcin[4]arene) wurde synthetisiert und in nur einem Schritt zur Oberflächenmodifikation mittels Tauchbeschichtung verwendet. Thiol-En Photoclick-Chemie wurde verwendet, um die mit Resorcin[4]aren modifizierte Oberfläche mit hydrophilen und hydrophoben Gruppen zu funktionalisieren.
In Kapitel 5 werden verschiedene zur Kontrolle der Polymerisation und Abscheidung von pflanzlichen Polyphenole genutzten Strategien diskutiert. Durch Nutzung dieser Strategien wurde eine räumliche und zeitliche Kontrolle der Abscheidung erzielt, was die Bildung einheitlicherer Nanobeschichtungen auf der Oberfläche ermöglichte. Eine kurze Zusammenfassung Resorcinarene basierter Oberflächenfunktionalisierung wird vorgestellt und ein Ausblickt gegeben.