Abschlussbericht

Antifoulingkonzepte für Sensoren für das Wassermonitoring durch sterisch
optimierte Tetraetherlipid-Coatings
PTKA-WTE
Abb. 65: Schematische Darstellung der Konformation von PEG-Ketten auf einem Substrat.
V.l.n.r.: "Pancake"-Struktur, nicht-interagierende "mushroom"-Struktur,
interagierende "mushroom"-Struktur, Brush-Struktur, hydratisierte Brushstruktur
Die Affinität der Wassermoleküle im wässrigen Milieu zu den aufgebrachten hydrophilen
Polymerketten führt zur Etablierung einer oberflächennahen Wasserschicht.
Der energetische Zustand hinsichtlich einer Adsorption von Proteinen bzw. einer Adhäsion von
Bakterien auf der Oberfläche mit hydratisiertem PEG (ΔG ads ) lässt sich thermodynamisch mittels
Enthalpie (ΔH ads ) und Entropie (TΔS ads ) erfassen:
Δ Gads =ΔHads −TΔ
Sads
Aus voranstehender Gleichung lässt sich erkennen, dass zur Vermeidung der Adhäsion/ Adsorption
auf einer Oberfläche die Interaktion Protein/ Substrat zur einer Erhöhung der Enthalpie und einer
Verringerung der Entropie des Systems führen muss.
Somit lässt sich das "Bewachsen" einer Oberfläche mit Proteinen durch die Maximierung der Lewis
Säure/ Base Wechselwirkung (ΔG AB , vgl. Gl.X2) zwischen Substrat und adhäriertem Wasser
unterdrücken. Ausschlaggebend für eine solche Maximierung sind die Variation des Lewis-Base
Parameters (γ − ) und des Lewis-Säure Parameters (γ + ) da:
⎡ + + − −
( γs − γ
p)(
γs − γ
p)
⎤
⎢
⎥
AB
+ + − −
Δ G = 2
⎢
−( γs − γl )( γs − γl
)
⎥
⎢
⎥
⎢ + + − −
−( γ
p
− γl )( γ
p
− γ
⎥
⎢
l
)
⎣
⎥⎦
Prinzipiell ist der Erfolg einer solchen Wasserbarriere hinsichtlich der Vermeidung unerwünschter
Adhäsionsvorgänge an folgende Bedingungen geknüpft:
1) die Affinität des Wassers zur Polymerkette ist größer als die zum Protein
2) die Affinität der Polymerkette zum Protein ist geringer als die zum Wasser
3) die Etablierung einer stabilen oberflächennahen Wasserschicht mittels hydratisiertem PEG setzt
die Brush-Struktur der Beschichtung voraus.
Prognose der Initialadhäsion
Die Initialadhäsion von Zellen auf Oberflächen unterliegt zwei wesentlichen Einflussfaktoren, der
Physikochemie zwischen Zelle und Oberfläche sowie der topografischen Oberflächenstruktur.
Dementsprechend wurden diese Komponenten in einem Oberflächengenerator und einem Energie-
Distanz-Kalkulator zur Prognose der initialen Adhäsion eingesetzt. Zusätzlich ermöglicht ein
Oberflächenenergiekalkulator die Ermittlung der oberflächenenergetischen Parameter der beteiligten
Substrate und Mikroorganismen basierend auf den theoretischen Modellvorstellungen nach C.J. van
Oss, Owens/ Wendt usw.
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