Dotierung der Polymerbürste mit Goldnanopartikeln führt zu einem schaltbaren Komposit, das seine Dicke in Abhängigkeit vom pH-Wert ändert. Die Forschung von Physikern der Technischen Universität Darmstadt in der Fachzeitschrift "Soft Matter" kann dazu genutzt werden, chemische Nanosensoren für die Diagnose- oder Umweltanalytik zu entwickeln.
Polymerbürsten sind makromolekulare Ketten, die auf der Oberfläche dicht aufgepfropft sind. Aufgrund der elektrostatischen Kraft erstreckt sich die Kette von der Oberfläche und bildet eine pelzartige Schicht mit einer Dicke von einigen hundert Nanometern. Derzeit konzentriert sich die Forschung auf das Design von Polymersystemen, die auf verschiedene Umweltreize wie pH-Wert, Temperatur oder spezifische Biomarker reagieren. Physiker der TU Darmstadt und der TU Berlin zeigten erstmals, wie sich die Dicke von Polymerbürsten durch die Kombination von pH-sensitiven Goldnanopartikeln verändern lässt.
"Die Kombination von Polymerketten und Goldnanopartikeln ist vielversprechend, insbesondere in der medizinischen Diagnostik oder Umweltanalytik", sagte Dikran Boyaciyan. Der 30-jährige Doktorand arbeitet in der von Professor Regin von Kleinzin geleiteten Arbeitsgruppe "Interfacial Soft Matter".
"Diese Technologie befindet sich noch in den frühen Entwicklungsstadien, und das Hauptziel ist, wie die Wechselwirkung zwischen dem Polymersystem und den Nanopartikeln in einer kontrollierten Umgebung eingestellt und kalibriert werden kann", erklärte Boyaciyan. Intelligente Polymermaterialien können verwendet werden, um chemische Nanosensoren für Toxine oder Krebszellen zu melden, Organparameter zu überwachen oder die Freisetzung von Zielarzneistoffen in den menschlichen Körper zu steuern.
Boyaciyan testete zwei Arten von pH-unempfindlichen Polymeren für seine langfristige Verwendung als Sensor: nicht-ionisches PNIPAM und kationisches PMETAC. Ersteres wird als ungeeignet angesehen, da die Goldpartikel bei hohem pH von der Bürste weggespült werden. In kationischen PMETAC-Bürsten werden Goldpartikel jedoch nicht durch pH-Änderungen beeinflusst.
Darüber hinaus konnte Boyaciyan demonstrieren, wie ein reversibler pH-Schalter-Komplex aus PMETAC hergestellt werden kann, indem Goldnanopartikel eingebaut werden und wie ihre Komplexbildung funktioniert. In einer sauren Umgebung verlieren die Teilchen Ladung und Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen und Teilchen-Bürste-Wechselwirkungen treten auf. Dadurch quillt die Bürste, da ihre Kette weniger eingeschränkt ist.
Im Gegensatz dazu erzeugt eine alkalische Umgebung eine negative Ladung auf den Teilchen und die Wechselwirkung mit einer positiv geladenen Bürste ist bevorzugt. Der Zusammenbruch der Kette bewirkt, dass die Bürstenschicht dünner wird.
Da die Dickenvariation auch die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichts beeinflusst, kann das Material als kolorimetrischer Nanosensor verwendet werden. Aufgrund seiner geringen Größe kann es mit Mikrolasern und Spektrometern gekoppelt werden, die in Zukunft in Laborchipsystemen und sogar in menschlichen Zellen verwendet werden können.
