Degradationsverhalten bioabbaubarer Polymere

Siliziumbasierte Sensorik zur Überwachung

  • Abb. 1: Schematische Darstellung des Sensorchips zur Untersuchung der Degradationskinetik von Polymeren.Abb. 1: Schematische Darstellung des Sensorchips zur Untersuchung der Degradationskinetik von Polymeren.
  • Abb. 1: Schematische Darstellung des Sensorchips zur Untersuchung der Degradationskinetik von Polymeren.
  • Abb. 2: Schematischer Aufbau der Degradationsmessung.
  • Abb. 3: pH-abhängige Änderung der Kapazität über einen Zeitraum von sieben Tagen [6].
  • Abb. 4: Mikroskopieaufnahmen eines undegradierten PDLLA-Films (a) und von PDLLA-Filmen nach drei Tagen (b), acht Tagen (c) und zehn Tagen (d) im Degradationsmedium.
  • Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes Nordrhein-Westfalen
  • interreg

Am Institut für Nano- und Biotechnologien (INB) der FH Aachen wird seit mehreren Jahren an Chip-basierten Sensoren geforscht. In einem aktuellen Forschungsprojekt werden derartige Sensorchips als neuartiger Ansatz zur Überwachung der Degradation von biodegradierbaren Polymeren eingesetzt.

Biodegradierbare Polymere haben in den letzten Jahrzehnten großes Interesse für Anwendungen in der Medizintechnik geweckt. Die Fähigkeit, sich in physiologischer Umgebung kontrolliert und ohne Irritation des sie umgebenden Organismus aufzulösen, ist dabei eine elementare Eigenschaft, die diese Polymere für den Einsatz als beispielsweise Drug-Delivery-Systeme, Stents oder Matrizen zur Gewebezüchtung aufweisen müssen [1,2]. In dem vom europäischen Förderprogramm Interreg IV A unterstützten Projekt „BioMIMedics" haben sich acht Forschungsgruppen aus der Euregio Maas-Rhein (Aachen, Lüttich, Hasselt, Maastricht) zusammengeschlossen, um „intelligente" Biomaterialien für den klinischen Einsatz zu entwickeln [3]. Gemeinsam wird von diesem Konsortium an neuen (bio)abbaubaren Polymeren geforscht, deren Abbau im Körper nach genau definierten Kinetiken erfolgen und keine unerwünschten Nebenreaktionen hervorrufen soll.

In den vergangenen Jahren wurden vielseitige Strategien entwickelt, um Einfluss auf die Degradationskinetik zu nehmen und diese gezielt an die Anforderungen der Anwendung anzupassen [4]. Dabei stellen die Charakterisierungsmethoden der Degradationskinetik aufgrund ihres überwiegend destruktiven Charakters einen aufwändigen und limitierenden Prozess dar.

Chip-basiertes Sensorsystem
Im Rahmen des Projekts werden am INB der FH Aachen (Bio-)Sensorchips für die elektrochemische und biochemische Charakterisierung der Biomaterialien bzw. der nicht-invasiven Bewertung von Abbauprodukten entwickelt. Mit Hilfe des hier vorgestellten Konzepts eines Chip-basierten Sensorsystems soll eine Beschleunigung der Adaption der Degradationskinetik an die Anforderung der Anwendung und die Verkürzung der Entwicklungszeit für neuartige Polymere erreicht werden.

Der konzeptionelle Entwurf des Sensorchips ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt.

Der Chip umfasst sowohl Sensoren zur Überwachung von bekannten Einflussfaktoren der Degradationsumgebung (pH-Wert, Temperatur, Elektrolytleitfähigkeit) als auch degradationsmessende Sensoren zur in situ- und Echtzeit-Überwachung des zu untersuchenden Polymers. Zusätzlich befinden sich Sensoren zur Messung von Degradationsprodukten im umgebenden Medium auf dem Chip.

In diesem Beitrag werden exemplarisch experimentelle Ergebnisse eines kapazitiven Feldeffektsensors vorgestellt, der zur Messung der Degradation eines kommerziell erhältlichen Polymers verwendet worden ist.

Messung der Polymerdegradation mit kapazitiven Feldeffektsensoren
Zur Charakterisierung des Degradationsverhaltens wurde eine planare Elektrolyt-Isolator-Silizium-Struktur verwendet. Hierbei handelt es sich um einen kapazitiven Feldeffektsensor, der sich durch seine vergleichsweise einfache Herstellung und vielfältige Nutzbarkeit auszeichnet [5]. Der kapazitive Feldeffektsensor besteht aus einem halbleitenden Siliziumsubstrat, auf dem durch thermische Trockenoxidation eine etwa 30 nm dünne Siliziumdioxidschicht (SiO2) aufgewachsen wird. Zur Verbesserung der Sensorcharakteristik wurde für diese Arbeit eine weitere Dünnschicht aus Ta2O5 auf dem SiO2 abgeschieden.

Die hier diskutierten Degradationsversuche wurden mit dem biodegradierbaren Polymer Poly(D,L-lactid) (PDLLA) durchgeführt, das als dünner Film (≈500 nm) mittels Rotationsbeschichtung direkt auf den Sensor aufgebracht wird. PDLLA ist als Biomaterial zugelassen und findet bereits vielfache Anwendung als Medizinprodukt. Es zeichnet sich durch seine herausragende Biokompatibilität aus, da das entstehende Degradationsprodukt Milchsäure natürlicherweise im menschlichen Metabolismus vorkommt und dementsprechend verstoffwechselt werden kann. Für die Degradationsstudie wird die Oberfläche des Sensorchips in Kontakt mit dem Degradationsmedium gebracht. Der elektrische Stromkreis wird in der gewählten Messanordnung über eine Ag/AgCl-Referenzelektrode geschlossen, welche Kontakt zum Elektrolyten hat und ein definiertes Potential liefert (siehe Abb. 2).

Verfolgung der Degradation
Die Degradationsmessung erfolgte bei 37 °C und zunächst in einer pH-Pufferlösung bei pH  7, um physiologische Bedingungen abzubilden. Es ist bekannt, dass PDLLA in neutraler Lösung langsamer degradiert als in alkalischer Lösung. Daher wurde im Verlauf des Experiments das Degradationsmedium gewechselt, um eine schnellere Degradation des PDLLA-Films herbeizuführen. An den Rückseitenkontakt des Sensors wurde eine Bias-Spannung von -2 V gegenüber der Referenzelektrode angelegt und über mehrere Tage wurde periodisch die Impedanz des Messsystems im Bereich von 1 Hz bis 100 kHz erfasst.

Im Frequenzbereich von 1 Hz bis etwa 10 kHz konnte ein nahezu rein kapazitives Verhalten festgestellt werden, im hochfrequenten Teil des Spektrums dominierte resistives Verhalten. Mit fortschreitender Versuchsdauer wurde eine Verschiebung der Messkurve entlang der Impedanzachse zu niedrigeren Werten ersichtlich. Die gemessene Kapazität setzt sich in einem vereinfachten Ersatzschaltbild als Reihenschaltung aus der Sensorkapazität (SiO2 und Ta2O5) sowie der Kapazität des Polymerfilms zusammen. Da die Sensorkapazität zeitlich invariant ist, kann die Verringerung der Gesamtimpedanz einer Änderung der dielektrischen Eigenschaften und/oder der Schichtdicke des Polymerfilms zugesprochen werden.

Abbildung 3 zeigt den Verlauf der normalisierten Kapazität bei einer Messfrequenz von 158 Hz. Während der ersten etwa zwei Tage in neutraler Pufferlössung ist praktisch keine Änderung der Kapazität ersichtlich. Die Erhöhung des pH-Werts des Degradationsmediums hingegen führte zu einer raschen Zunahme der Kapazität. Auch nach etwa sieben Tagen war die gemessene Kapazität noch geringer als die reine Sensorkapazität ohne PDLLA-Schicht. Dies lässt vermuten, dass der Degradationsprozess zu diesem Zeitpunkt noch nicht vollständig abgeschlossen war.
Um dies zu prüfen, wurden parallel zur elektrochemischen Charakterisierung der Polymerdegradation die Sensorchips auch mittels Auflichtmikroskopie untersucht. In Abbildung 4 sind Mikroskopieaufnahmen von PDLLA-Filmen auf der Sensoroberfläche in unterschiedlichen Degradationsstadien über einen Zeitraum von zehn Tagen zusammengefasst. Anhand dieser Aufnahmen wird die Zersetzung des Polymerfilms ersichtlich und bestätigt die elektrochemischen Messergebnisse.

Zusammenfassung
Diese erfolgreich durchgeführten Experimente belegen die Einsatzmöglichkeit Chip-basierter Sensoren als neuartiges Analysetool für die in situ- und Echtzeit-Überwachung des Degradationsverhaltens von Polymeren. Im weiteren Verlauf des „BioMIMedics"-Projektes sollen mit Hilfe dieses Analysetools die Degradationskinetiken der neu entwickelten Polymere der beteiligten Partner untersucht werden.

Literatur
[1] Nair L. S. und Laurencin C. T.: Progress in Polymer Science 32, 762-798 (2007)
[2] Martina M. und Hutmacher D. W.: Polymer International 56, 145-157 (2007)
[3] www.biomimedics.org
[4] Amass W. et al.: Polymer International 47, 89-144 (1998)
[5] Schöning M. J.: Sensors 5, 126-138 (2005)
[6] Schusser S. et al.: Sensors and Actuators B (2012) doi:10.1016/j.snb.2012.07.099

Danksagung
Die Autoren danken M. Leinhos für die technische Unterstützung und fachliche Diskussion.

 

Autor(en)

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