Abschlussbericht

Antifoulingkonzepte für Sensoren für das Wassermonitoring durch sterisch
optimierte Tetraetherlipid-Coatings
PTKA-WTE
Es kann geschlussfolgert werden, dass sterische Barrieren auf der Basis geordneter Wasserstrukturen
ein aussichtsreiches Konzept verkörpern, um eine effektive Entkopplung der Oberflächen vom
umgebenden System zu bewirken. Hier bieten bipolare Tetraetherlipide basierend auf einem
Spacermolekül mit optimalen funktionalen Eigenschaften und einen hohen Maß an selektiver
Modifizierbarkeit eine ideale chemische Plattform. Es werden Tetraetherlipide (Membranlipide der
Archaea) als Basis einer geeigneten Oberflächenmodifizierung zur Gestaltung eines biomimetischen
Antifoulingkonzeptes genutzt. Vergleichbare Biomembrananaloga, die derzeit als Antifouling-
Beschichtung getestet werden, sind über den inneren Lipidmonolayer direkt an der Materialoberfläche
verankert. Die darauf aufbauenden Bilayer sind dementsprechend von relativ geringer Stabilität, so
dass der Einsatz auf technischen Funktionsflächen nur bedingt möglich ist. Als Alternative bieten sich
auch hierzu die archaealen Tetraetherlipide an, die sich durch gezielte Aktivierung an verschiedenste
Materialoberflächen kovalent fixieren lassen. Schon früh wurde als besonderes Merkmal der
thermophilen Archaea das Fehlen der Zellwand sowie die charakteristische Struktur der Zellmembran
und ihrer Lipide beschrieben, die z.B. die Anpassung an Wachstumstemperaturen von bis zu 90°C
und an einen pH-Bereich von 0,5 bis 4 ermöglichen. Zur Unterstützung der Stabilität der Membran
gegenüber hohen Temperaturen werden in die Lipide der Zellmembran zusätzlich mehrere
Pentazyklen integriert. Die kovalente Fixierung auf verschiedensten Substratoberflächen erfolgt über
die Self-Assembling Technik in Chloroformlösung bei ca. 60°C. Eine abschließende gezielte
Oberflächenmodifizierung der erreichten Lipidfilme basiert auf der Funktionalisierung der äußeren
Kopfgruppen des Tetraetherlipidmoleküls in einem oder mehreren Reaktionsschritten.
Bisherige Arbeiten
Die Forschergruppe aus dem physiologisch-chemischen Institut der Martin-Luther-Universität Halle,
arbeitet seit mehr als 10 Jahren auf einem Grenzgebiet zwischen Biochemie, biophysikalischer
Chemie und Materialwissenschaften. Forschungsschwerpunkte sind die Entwicklung neuer
Messverfahren im Sinne der Biosensorik sowie Untersuchungen im Bereich der biologischen Barriere
“Lipid-Membran”.
Das Forschungsprofil des iba Heiligenstadt ist so ausgerichtet, dass vornehmlich Fragestellungen aus
dem Bereich der Biotechnologie, Medizintechnik und Umwelttechnik bearbeitet werden, die sich
zwischen der Grundlagenforschung und einer mehr marktorientierten Produktforschung ansiedeln
lassen. Zu den vorrangigen Aufgaben des FB Biowerkstoffe gehört es, sich mit den
Wechselwirkungen zwischen biologischen Systemen und den Oberflächen von technischen und
natürlichen Biomaterialien auseinanderzusetzen und diese auf messbare Kenngrößen des Werkstoffs
sowie des Biosystems zurückzuführen. Zur Bearbeitung dieser komplexen Problematik hinsichtlich der
Bestimmung der Biokompatibilität bzw. Biofunktionalität von biomedizinischen und biotechnologischen
Materialien haben sich insbesondere thematische Schwerpunkte wie die Bioadhäsion, das Biofouling
und die Biokorrosion/Biodegradation herauskristallisiert.
Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe der MLU Halle-Wittenberg wurde im Rahmen eines nationalen
Forschungsprojektes (BMBF; Förderkennzeichen 02WU0491-5) eine neuartige Lipidtechnologie
entwickelt. Das zentrale Anliegen bestand in dem Aufbau eines biomimetischen Oberflächencoatings
auf der Basis archaealer Tetraetherlipide. In diesen vorangegangenen Arbeiten wurde ein archaeales
Tetraetherlipid des Thermoplasma acidophilum eingesetzt, das zum einen die Generierung dichter,
monomolekularer Lipidfilme erlaubt und zum anderen als Spacer für die Anbindung von
Funktionsmolekülen dient. Parallel erfolgte die Entwicklung einer neuartigen, schnellen,
reproduzierbaren und „trockenen“ Oberflächenaktivierungsprozedur, um ausreichend reaktive OH-
Gruppen auf oxidischen Materialien generieren können, die sowohl mit cyanur- als auch mit
mesylataktiviertem Tetaretherlipidderivaten (Caldarchaeol) direkt koppeln.
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