Bioaktive Gläser Prof. Dr. Delia Brauer Forschungsschwerpunkte • Materialchemie nichtmetallisch-anorganischer Werkstoffe, insbesondere von Gläsern und Glaskeramiken: Oberflächenreaktionen, Kristallisation, Korrosion oder Löslichkeit • Biomaterialien zur Regeneration von Hart- und Weichgewebe, wie bioaktive Gläser, Glasionomerzemente, Hybridmaterialien: Synthese und Charakterisierung chemischer und mechanischer Eigenschaften sowie in vitro-Zellkompatibilität • Glasstruktur und strukturbasiertes Design neuer Zusammensetzungen Hybridmaterialien bestehen aus einer organischen und einer anorganischen Komponente und profitieren von der synergistischen Verknüpfung von oftmals gegenteiligen Eigenschaften. Im Rahmen eines Teilprojekts in einem durch die Carl-ZeissStiftung finanzierten Projekts im Programm Durchbrüche, „Intelligente Substrate: Schaltbare Grenzflächen auf Basis multiresponsiver Hybridmaterialien“, werden responsive Hybridmaterialien auf Basis von bioaktiven Gläsern und schaltbaren, wasserlöslichen Polymeren synthetisiert. Diese Polymere reagieren auf unterschiedliche Faktoren (‚Stimuli‘), wie etwa Licht, Metallionen, pHWert oder Temperatur, mit einer Änderung der physiochemischen Eigenschaften. In unserer Studie haben wir ein Kern-Schale-Hybridsystem entwickelt, das aus Sol-Gel abgeleitete Bioglas (BG)- Nanopartikel als Kern und Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM) als Schale verwendet. Dieser Intelligente Substrate: Schaltbare Grenzflächen auf Basis multiresponsiver Hybridmaterialien Ansatz zielt darauf ab, die therapeutische Ionenfreisetzung von BG mit den temperaturabhängigen Eigenschaften von PNIPAM zu kombinieren. Größenanalyse mittels dynamischer Lichtstreuung bei unterschiedlichen Temperaturen zeigt die Bildung von BG-Aggregaten, die durch eine Konformationsänderung von PNIPAM auf der BGOberfläche von spiral- zu kugelförmig verursacht wird. Dieser Übergang wirkte sich auch auf die Ionenfreisetzung aus den Hybriden aus, da der Ionentransport durch das poröse Hybridnetz zunahm. Unsere Studie veranschaulicht die Möglichkeit, die Auflösungseigenschaften der Hybride über die Umgebungstemperatur einzustellen und die Freisetzung von Ca-Ionen aus dem BG zu steuern (Abb. 1a). Aktuell laufende, darauf aufbauende Arbeiten in Kooperation mit der AG Prof. Sierka (PAF Uni Jena) haben das Ziel, den Mechanismus von Konformationsänderung und Aggregation mithilfe von Computersimulationen, Dissipative Particle Dynamics (DPD), besser zu verstehen (Abb. 1b). [1] Nabiyan A., Jin Z., Brauer D. S. (2024): Temperature-responsive bioactive glass/polymer hybrids allow for tailoring of ion release. Soft Matter, doi: 10.1039/D4SM00536H. Abb. 1a (oben). Visuelle Beobachtung und schematische Darstellung der temperaturinduzierten Aggregation von PNIPAM@BG. Abb. 1b (unten). Thermoresponsives Verhalten von PNIPAM@BG in verschiedenen Stadien der DPDSimulation. (a) Ausgangskonfiguration der PNIPAMKette. (b,c) Equilibrium-Konfiguration bei (b) 25°C (unterhalb der Trübungspunkttemperatur, Tcp) und (c) 45°C (über Tcp). Grün: Polymerketten, blau: APTESLinker, violett: Wasser (Lösungsmittel), hellbraun: BG. Grafiken: AG Brauer und AG Sierka 134 — FORSCHUNG
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