Diffusion in Hydrogelen

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Hydrogele haben die besondere Fähigkeit, andere Stoffe (z.B. medizinische Wirkstoffe, Farbstoffe, Biokatalysatoren) unter Quellung aufnehmen und kontrolliert wieder abgeben zu können. Die Geschwindigkeit und Art der Aufnahme bzw. Abgabe, d.h. die Diffusion des entsprechenden Stoffes im Gel, können dabei durch die Eigenschaften des Gels selbst sowie durch externe Parameter, wie z.B. Temperatur oder pH-Wert oder auch Konzentration einer weiteren Komponente, gezielt beeinflusst werden. Ausgehend hiervon ist eine Vielzahl von innovativen Anwendungen von Hydrogelen denkbar. So können Hydrogele eingesetzt werden, um z.B. medizinische Wirkstoffe kontrolliert und auf konstantem Niveau freizusetzen (controlled-release). Eine andere Anwendung ist die Immobilisierung von Katalysatoren (z.B. von Enzymen) im Hydrogel, die es gestattet, in der Gelmatrix Reaktionen durchzuführen. Die bei der chemischen Umsetzungsreaktion entstehenden (oft organischen) Produkte können anschließend aus dem Hydrogel diffundieren. Dadurch ist es möglich, Reaktionen auch in für Biokatalysatoren eigentlich ungünstigen chemischen Reaktionsmedien durchzuführen. Für die genannten Anwendungen ist die Kenntnis der Diffusions- und Quellungsvorgänge im Gel eine zwingende Voraussetzung zur Auswahl eines geeigneten Hydrogelsystems. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es daher, die Sorption und Diffusion in Hydrogelen zu untersuchen. Dazu sollen Konzentrationsprofile diffundierender Stoffe in Hydrogelen sowie die Quellung der Gele mit Hilfe der konfokalen Ramanspektroskopie gemessen werden. Hierzu sollen eine bestehende Apparatur modifiziert und geeignete Kalibriertechniken erarbeitet werden. Die gemessenen Profile werden durch einen Maxwell-Stefan - Ansatz modelliert. Das chemische Potential der diffundierenden Komponenten wird hierbei durch eine Zustandsgleichung beschrieben, die die explizite Berücksichtigung von Wasserstoffbrückenbindungen und Polymereigenschaften im Gel gestattet. In einem nachfolgenden Schritt sollen die Arbeiten auf komplexere Systeme mit strukturierten Hydrogelen erweitert werden.