Herstellung funktioneller Hybride auf Basis von bakteriell synthetisierter Nanocellulose

Wesarg, Falko

Ein Ziel dieser Arbeit bestand darin, das Anwendungspotential von BNC durch ausgewählte in situ- und post-Modifizierungstechniken zu erweitern. Im Rahmen der in situ-Modifizierung wurde der Einfluss des zur Synthese verwendeten Gluconacetobacter-Stamms auf die chemsich-mechanischen Eigenschaften von bakteriell synthetisierter Nanocellulose (BNC) untersucht. Durch die Wahl des Bakterienstamms besteht die Möglichkeit, den molekularen und supramolekularen Aufbau von BNC gezielt zu steuern und die darauf aufbauenden mechanischen Materialeigenschaften zu modifizieren. Darüberhinaus bildet das gewonnene Materialverständnis die Grundlage, um den Einfluss der jeweiligen Modifizierungstechnik auf die Materialeigenschaften abzuschätzen und verfahrensbedingte Probleme zu bewerten. Als weitere in situ-Modifizierungstechnik wurde eine neue Methode entwickelt, um ein nanofibrillares Hybridmaterial herzustellen, welches aus BNC und photokatalytisch aktiven Anatas-Nanopartikeln besteht. Die während der Biosynthese entstehende BNC fungiert als Trägerstruktur und immobilisert die Nanopartikel im Netzwerk. Die Gegenwart der Nanopartikel im Kultivierungsmedium beeinflusst die Netzwerkbildung. Die Anatas-Nanopartikel, die im kompletten Material zu finden sind, modifizieren durch die Wechselwirkung mit den Hydroxy-Gruppen der BNC-Fibrillen die entstehende molekulare und supramolekulare Struktur des Hybrids. Im Vergleich zu bisherigen Modifizierungstechniken sind keine Nachbehandlungsschritte erforderlich, um einen photokatalytischen BNC-Hybrid zu synthetisieren. Darüber hinaus bleibt der Hydrogelcharakter des Materials erhalten, der im Rahmen eines photokatalytischen Schadstoffabbaus von Vorteil ist. Die photokatalytische Aktivität der Hybride wird von der verwendeten Anatas-Konzentration beeinflusst. Demzufolge könnten die photokatalytisch aktiven und stabilen BNC-TiO2-Hybride im Rahmen umwelttechnischer Anwendungen, zur Trinkwasser- oder Luftreinigung verwendet werden. Im Rahmen der post-Modifizierung wurden Hybride auf Basis von BNC und Ag-Nanopartikeln durch eine dreistufige Methode hergestellt. Die Ag-Nanopartikel entstehen selektiv an den aktivierten Stellen der dreidimensionalen BNC-Struktur. Sie sind an den Amino-Funktionalitäten der vorbehandelten BNC-Fasern fest immobilisiert. Die Menge und Größe der Ag-Nanopartikel kann durch die Variation der verwendeten AgNO3-Konzentration sowie durch die Reaktionszeit der Proben in der AgNO3-Lösung kontrolliert werden. Die Hybride besitzen bereits bei geringen Ag-Nanopartikel-Gehalten eine hohe antimikrobielle Aktivität, die nur im direkten Kontakt mit E. coli-Bakterien wirkt. Dabei werden keine Nanopartikel freigesetzt, sodass die Wirkung lokal begrenzt werden kann. Die Hybride könnten deshalb von großem Interesse für eine medizinische Anwendung als antimikrobieller Feuchtwundverband sein, da sie die Materialvorteile von BNC mit den erforderlichen antimikrobiellen Eigenschaften von Ag-Nanopartikeln kombinieren. Die verwendeten Modifizierungstechniken sind für die Eigenschaftserweiterung von BNC nicht beschränkt und bieten eine Vielzahl von weiteren Ansatzpunkten. So besteht im Rahmen der entwickelten in situ-Technik die Möglichkeit, andere funktionalisierte Nanopartikel zu verwenden, um die BNC-Eigenschaften gezielt zu erweitern. Es ist denkbar, bioaktive Nanopartikel für neuartige Trägerstrukturen bei der Knochenregeneration oder paramagnetische Nanopartikel für magnetische Filter in die BNC-Trägerstruktur zu integrieren. Aber auch im Hinblick auf die verwendete post-Modifizierungstechnik ergeben sich Ansatzpunkte. Die Abscheidung anderer metallischer Nanopartikel kann für die Herstellung von H2O2-Biosensoren (Au) oder Protonen-Austausch-Membranen (Pt) verwendet werden. Darüber hinaus können anorgansiche Materialien wie CdSe als lumineszierender Sensor oder CdS als Photokatalysator in Betracht gezogen werden.

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Wesarg, Falko: Herstellung funktioneller Hybride auf Basis von bakteriell synthetisierter Nanocellulose. 2013.

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