Abschlussbericht

Antifoulingkonzepte für Sensoren für das Wassermonitoring durch sterisch
optimierte Tetraetherlipid-Coatings
PTKA-WTE
6.5 Biofilmsimulation
Ziele des Arbeitspaketes
- Entwicklung eines Adhäsionsmodells basierend auf der Berücksichtigung thermodynamischer
und kolloidchemischer Modellvorstellungen, welches die Beschreibung der initialen bakteriellen
Adhäsion erlaubt
- Entwicklung eines Biofilmsimulators als eigenständiges Programm mit einer bedienerfreundlichen
graphischen Oberfläche
- experimentell und theoretisch abgesicherte Bewertung von Lipid-Systemen mit optimalem
Antifoulingpotenzial
6.5.1 Prognosemodell
iba
Theoretische Vorarbeiten
Es muss davon ausgegangen werden, dass zwischen zwei sich nähernden Oberflächen bei einem
Abstand von wenigen Nanometern in wässrigen Medien, die Grenzflächenenergie wesentlich von
Hydrationseffekten bestimmt wird, die in ihrer Intensität die klassischen DLVO-Kräfte deutlich
übertreffen können. In der Literatur beschriebene Lösungs- und Quellungsvorgänge bzw. strukturelle
Interaktionen gegenüber Wasser sowie Wechselwirkungen, die ihrerseits mit der Affinität gegenüber
Wasserstoffbindungen im Zusammenhang stehen, werden in diese Betrachtung einbezogen.
Sterische Kräfte resultieren aus Wechselwirkungen, die vorwiegend durch nicht-ionische
oberflächenaktive Substanzen und polymere Makromoleküle induziert werden, die zur Kopplung an
suspendierte Oberflächen unter Bildung von 10 bis 20 nm dicken Monolayern tendieren. Mit dem Ziel,
diese Energieterme in das Prognosemodell für eine Beschreibung der initialen Adhäsion zu
integrieren, erfolgte eine entsprechende Recherche verschiedener Modellansätze von
Hydratationsphänomenen. Das Fundament der Betrachtungen bildet die Derjaguin-Approximation, mit
deren Hilfe die Kalkulation von Wechselwirkungskräften für ein Kugel-Platte-Modell aus der Energie je
Flächeneinheit zweier planarer Platten ermöglicht wird.
Die Interaktionskräfte, welche Adsorption und Adhäsion im flüssigen Medium zwischen z.B. einem
Bakterium sowie einem Substrat definieren, lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
Δ G = Δ G +Δ G +Δ G +Δ G
ads
LW EL AB BR
mit ΔG LW als attraktive Lifshitz-van der Waals Kräfte (LW), ΔG EL als repulsive Kräfte der elektrischen
Dopplschicht (EL), ΔG AB als Lewis Säure/ Base Wechselwirkung (AB) sowie ΔG BR als Kräfte aus der
Braun'schen Bewegung (BR). Die Lewis Säure/ Base Wechselwirkungen (AB) dominieren zu ca. 90%
sowohl attraktive als auch repulsive nicht kovalente Interaktionskräfte im Wasser, womit sich obige
Gleichung reduzieren lässt zu
Δ ≈Δ +Δ
LW AB
Gads
G G
Mittels der Etablierung von PEG auf der Oberfläche eines Substrates lassen sich die physikochemischen
Eigenschaften dieser Oberfläche modifizieren. In der Abb. 65 sind unterschiedliche
Möglichkeiten der Ausbildung von PEG-Ketten auf einem Substrat dargestellt.
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