774110 Biomaterialchemie

Art
Vorlesung
Semesterstunden
2
Vortragende/r (Mitwirkende/r)
Liebner, Falk
Organisation
Angeboten im Semester
Wintersemester 2023/24
Unterrichts-/ Lehrsprachen
Deutsch
Lehrinhalt

L 1: Die unterschiedlichen Interpretationen des Begriffs "Biomaterial":
•Funktionelle Materialien in direkter Interaktion mit biologischen Systemen
•Biomimetische Materialien
•Bio-inspirierte Materialien
• Bio-abbaubare Materialien
• Bio(polymer) basierende Materialien

L 2: Bedeutende Biopolymere, Vorkommen, Gewinnung, Struktur, Eigenschaften: Cellulose, Hemicellulose, Lignin, Stärke, Cyclodextrin, Glycogen, Chitin, Chitosan, Pectin

L 3: Lignin: Ein bedeutendes aber "schweißtreibendes" Biopolymer: Biosynthese, chemischer Aufbau, Lignin-Typen, Ligningewinnung, funktionelle Gruppen

L 4: Lignin: Ein bedeutendes aber "schweißtreibendes" Biopolymer: Modifizierung durch chemische "Nutzung" der Vielzahl an funktionellen Gruppen als ein Beispiel für die Gewinnung von Biomaterialien mit neuen Eigenschaften oder die Kompatibilisierung mit synthetischen Polymeren.

L 5: Lignin: Ein bedeutendes aber "schweißtreibendes" Biopolymer: Möglichkeiten zur Erhöhung der Reaktivität von Lignin durch Einführung neuer reaktiver Gruppen. Einführung in die chemische Analytik von Ligninen und Besprechung etablierter Methoden zur Quantifizierung funktioneller Gruppen.

L 6: Lignin: Ein bedeutendes aber "schweißtreibendes" Biopolymer: Natürlicher Abbau und Umwandlung zu Huminstoffen. Ammoxidation von Lignin: Ein sinnvoller Ansatz zur Herstellung von Humusersatzstoffen zur Bekämpfung der weltweit zunehmenden Bodenerosion und Wüstenbildung.

L 7: Alterung und Abbau von synthetischen Polymeren
•Chemische Prinzipien des Abbaus von Polymeren (thermisch, chemisch, Strahlung)
•Massnahmen zur Verzögerung des Abbaus / Verbesserung der Bioabbaubarkeit

L 8: Verarbeitung von Biomaterialien
Techniken zur Herstellung von Fasern / Filmen / Nano- und Mikropartikeln / Formkörpern
•Fasern: Spinnen (nass, trocken, electrospinning), spin-coating,
•Filme: Spin-coating / Langmuir-Blodget-Filme / Layer-by-layer Technik zum Verkapseln von bioaktiven Verbindungen für die kontrollierte Freisetzung unter bestimmten Bedingungen
•Nano- und Mikropartikel: Jet-cutting, Antisolvent Fällung, Emulgations-Technik
•Formkörper: Sol-Gel-Verfahren, “Trocknung” stabiler Dispersionen, überkritische Trocknung

L 9: Überkritische CO2-Techniken in der Polymer-Verarbeitung
•SAS: Supercritical Anti-solvent Processing
•scCO2-Antisolvent-Fällung
•scCO2Antisolvent-Trocknung
•RESS: Rapid-Expansion of Supercritical Solutions
•PGS: Particles from Gas Saturated Solutions

L 10: Hydrogele
•Genereller Aufbau von Hydroglen
•Prinzipien der kovalentn und ionischen Vernetzung,
•Charakterisierung von Hydrogelen
•Herstellung von Hydrogelen aus Stärke, Hemizellulose und Lignin

L 11: Aerogele
•Prinzipieller Aufbau, Eigenschaften und Anwendungen
•Aerogele aus pflanzlicher und bakterieller Zellulose
•Herstellungsverfahren, Herausforderungen, Analytik
•Eigenschaften und Einsatzgebiete, Modifizierung von Zellulose-Aerogelen

L12: Fasern
•Biopolymer-basierende Fasern: Stand der Technik
•Zellulose-Fasern:
oDirekt-Lösungsmittel für Zellulose,
oZellulose-Fasern durch Regeneration aus einer Lösung: Der Lyocell-Prozess
oZellulose-Fasern über Derivatisierung und Regeneration: Der Viskose-Prozess

L 13: Biomedizinische Anwendungen von biopolymer-basierten Materialien
•Slow release-Anwendungen (Fasern, Filme)
•Cell scaffolds for tissue engineering

L 14: Wiederholung, Zusammenfassung, Schlussfolgerung, Ausblick

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Inhaltliche Voraussetzungen (erwartete Kenntnisse)

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Lehrziel

Durch Charakter und Inhalt dieser LVA wurde bei den Studierenden das Interesse und die Freude an der Verfolgung aktueller Entwicklungen auf dem Gebiet der „Chemie von Biomaterialien“ geweckt. Am Beispiel ausgewählter Forschungsarbeiten zur Entwicklung von Hydrogelen und Aerogelen für regenerative Therapien sind die Studierenden an moderne Konzepte der Entwicklung von „Biomaterialien“ herangeführt worden. Neben Biomaterialien im eigentlichen Sinn, also Materialien in direktem Kontakt mit biologischem Gewebe, sind die Studierenden auch mit Konzepten der Entwicklung „biomimetischer“, „bioinspirierter", "bio-abbaubarer“ und "biopolymer-basierender" Materialien vertraut und könnten unter Anleitung entsprechende Projekte zielorientiert bearbeiten.
Anhand des Beispiels von Lignin, einem der kompliziertesten natürlichen Polymere, wird – nach Wiederholung allgemeiner Grundlagen zu dessen Biosynthese, chemischen Struktur und Gewinnung aus lignozellulosischen Rohstoffen - schwerpunktartig die Vielfalt an Möglichkeiten zur chemischen Modifizierung eines der wichtigsten Biopolymere im Hinblick auf die Entwicklung funktioneller Materialien besprochen. Dadurch haben die Studierenden anwendungsbereites Wissen erlangt, das sie bei entsprechender Führung in die Lage versetzt, andere Biopolymere in ähnlicher Weise chemisch modifizieren zu können. In ähnlicher Weise werden - ebenfalls beispielhaft für Lignin - analytische Methoden zur Bestimmung funktioneller Gruppen besprochen.
Durch die LVA erwerben die Studierenden weiterhin fundierte Kenntnisse bezüglich der Prinzipien des natürlichen Abbaus / Alterns von Polymeren und haben die chemischen Hintergründe der Wirkung von primären und sekundären Antioxidantien bzw. Deaktivatoren verstanden. Weiterhin werden die Studierenden befähigt aktuelle Trends zur Entwicklung bioabbaubarer Polymere fachlich besser zu verstehen und haben erkannt, durch welche Massnahmen die Bioabbaubarkeit von Polymeren verzögert oder verstärkt werden kann.
Durch Besprechung ausgewählter Aspekte und Möglichkeiten der Verarbeitung von (modifizierten) Biopolymeren (Fasern, Partikel, Gele, poröse Strukturen; Einsatz von überkritischem Kohlendioxid etc.) haben die Studierenden darüber hinaus ein fundiertes technologisches Wissen erworben, dass auf eine Vielzahl ähnlicher Materialien unter Anleitung übertragbar ist.
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