Vortragsprogramm

In den letzten Jahren haben Polyelektrolyte aufgrund ihres potenziell geringen „Foulings“ und ihrer spezifischen Wechselwirkungen mit biologischen Molekülen und Zellen Aufmerksamkeit erregt. Aminosäuren als natürliche zwitterionische Moleküle können als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Aminosäure-abgeleiteten Polyelektrolyten dienen, die neben ihrer Ladung auch andere biomimetische Motive wie Chiralität besitzen.

Wir beschreiben das Potenzial, Aminosäuren für die Herstellung von Polyelektrolyten zu nutzen und beschreiben verschiedene synthetische Ansätze sowie deren Charakterisierung. Wir zeigen, wie geringfügige Änderungen in der chemischen Identität von Aminosäure-abgeleiteten Polyelektrolyten zu drastischen Veränderungen in ihren Eigenschaften sowie ihren Wechselwirkungen mit biologischen Molekülen führen können. Diese Präsentation zielt darauf ab, das Potenzial von Aminosäure-Derivaten für die Herstellung systematischer Polymerbibliotheken aufzuzeigen, die dringend benötigt werden, um ein besseres Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Polymer-Systemen zu erlangen.

Eigenschaften von Tensidformulierungen werden vielfach durch Zusatz von Kotensid modifiziert, wodurch sich die Möglichkeit zur systematischen Kontrolle von Struktur und Eigenschaften ergibt. Die strukturellen Änderungen sollten über eine kontinuierliche Änderung des Packungsparameters der Aggregate erfolgen. Entsprechend sollte Kotensidzugabe zu Kugelmizellen diese zu zunehmend längeren wurmartigen Mizellen transformieren und bei noch höherer Kotensidkonzentration sollten sich Doppelschichten ausbilden, wobei dies durch einen Phasenübergang erster Ordnung stattfindet.
In dieser Arbeit zeigen wir ein deutlich anderes Selbstaggregationsverhalten, das wir bei einem klassischen nichtionischen Tensid (Tween 20) bei Zugabe von 2-Ethylhexylglycerol (EHG) als Kotensid beobachten. Die strukturelle Charakterisierung durch Licht- und Neutronenstreuung (SLS, DLS, SANS) und speziell cryo-TEM, zeigt, dass sich hier elongierte Aggregate ausbilden. Allerdings im Gegensatz zur normalen Erwartung, sind diese aus individuellen Mizellen aufgebaut, die zylindrisch angeordnet sind. Dies erklärt auch die deutlich niedrigere Viskosität, die man im Vergleich zu wurmartigen Mizellen (WLM) beobachtet. Ein Phasenübergang erster Ordnung findet bei höherer Kotensidkonzentration statt, aber hier bildet zuerst nur ein Bruchteil der Amphiphile eine Doppelschichtstruktur und vollständige Umwandlung der Doppelschichten erfolgt erst innerhalb des oberen einphasigen Bereichs für EHG Konzentrationen deutlich oberhalb der Phasenumwandlung.
Diese sehr unübliche strukturelle Entwicklung wurde noch nicht zuvor berichtet, aber kann über die spezielle Struktur der involvierten Moleküle erklärt werden. Diese Arbeit wurde zu anderen nichtionischen Tensiden und Kotensiden hin erweitert, wobei eine systematische Variation der Kopfgruppengröße durchgeführt wurde. Als Ergebnis zeigt sich eine systematische Variation des Phasenverhaltens, die anhand der molekularen Architektur der Amphiphile erklärt werden kann.

Multifunktionelle Inhaltsstoffe (Multifunctionals) gewinnen in der Kosmetik-, Personal Care- und Home Care-Industrie zunehmend an Bedeutung. Dabei handelt es sich um Inhaltsstoffe, die mehr als eine funktionelle Eigenschaft in einer Formulierung bieten können. Darüber hinaus ermöglicht die Einführung solcher Inhaltsstoffe zu einem frühen Zeitpunkt im Formulierungsprozess die Substitution oder den effizienteren Einsatz anderer funktioneller Inhaltsstoffe aufgrund von Synergieeffekten, wodurch umweltfreundlichere und verträglichere Produkte geschaffen werden können. Beispiele für multifunktionelle Inhaltsstoffe, die vorgestellt werden, sind schwer wasserlösliche amphiphile Duft- und Konservierungsstoffe wie Geraniol, Linalool und Phenoxyethanol, die die Oberflächenspannung wässriger Lösungen senken können.
Die untersuchten amphiphilen Substanzen erzeugen nicht nur einen bestimmten Duft, sondern weisen auch eine hohe dynamische Oberflächenaktivität auf und beeinflussen den Prozess der Mizellenbildung von Tensiden sowie die rheologischen und Freisetzungseigenschaften von Emulsionen. Durch die Einführung dieser Stoffe in das System in den frühen Phasen des Produktionsprozesses werden die Prozesse der Emulgierung, Dispersion und Solubilisierung verbessert.
Ein weiteres Beispiel für eine Multifunktional ist ein anionischer Polyelektrolyt – vollständig neutralisierte Polyacrylsäure (PAA), die in erster Linie als Bindemittel in Waschmittelformulierungen eingesetzt wird. Das Assoziationsverhalten in einem komplexen Mehrkomponentensystem, das ethoxylierte anionische Tenside, PAA und Enzyme enthält, die eine hohe Effizienz bei der Solubilisierung schwer wasserlöslicher immobilisierter Proteine besitzen, wird mit einer Reihe von Methoden analysiert, darunter dynamische Tensiometrie und Solubilisierungstests. Unerwartete attraktive Wechselwirkungen von PAA mit gleich geladenen Tensiden in Gegenwart von mehrwertigen Kationen wurden bestätigt. Die aufgezeigten neuen elektrostatischen Assoziationsmechanismen können zu neuen Designansätzen für eine nachhaltige Reinigungswirkung führen.

Die Ressourcen der Erde sind limitiert, genau wie die Wachstumsmöglichkeiten der Menschheit auf Planet Erde. Der Einfluss der Detergenschemie überschreitet die Grenzen von Grüne Chemie und der ganzheitliche Einfluss auf die Ressourcen von Planet Erde ist kaum verstanden. Um zukünftige Forschung in Richtung eines ganzheitlichen Detergensdesigns zu leiten, nutzt das Team um Dr. Urner das Konzept der Planetaren Grenzen in einer Literaturstudie und analysiert systematisch den Einfluss von Detergenschemie auf die Überschreitung planetarer Ressourcen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Implementierung einer klimafreundlichen Detergensindustrie Fortschritte macht. Es bedarf weiterer Fortschritte beim Zusammenführen von materealistischen und sozialen Aspekten in der Gestaltung technischer Lösungen mit Hilfe von Nachhaltiger Chemie, auch aus der Sicht akademischer Stammbäume. Darüber hinaus zeigen wir, dass es Entwicklungsbedarf gibt bei dem Design von Detergenzien, die technische Anforderungen erfüllen und der Biosphäre nicht schaden. Wir schlagen vor, dass die membranolytische Eigenschaft eines Detergens eine Schlüsselrolle spielt. Die membranolytische Eigenschaft beschreibt das Vermögen eines Detergens eine Zellmembran aufzulösen. Zellmembranen sind der erste Kontaktpunkt zwischen Detergens und Zelle. Schäden an Zellmembranen stehen in direkter Verbindung mit Zellstress, Entzündungsreaktionen, Allergien, antimikrobielle Resistenz und vielleicht sogar Krebs. Um neue Wege bei der Entwicklung sicherer Detergenzien zu unterstützen, haben wir das Detergentome um modulare Hybrid-Detergenzien erweitert und neue Möglichkeiten für Struktur-Eigenschaftsbeziehungen geschaffen. Neugeschaffenen methodische Möglichkeiten beinhalten eine volle Flexibilität von molekularen Parametern die Anwendungen und Membraninteraktionen bestimmen, wie z.B. Ladung, Polarität und Molekülform. Zusammenfassend präsentieren wir eine neue Detergensklasse und den Nutzen vom Konzept der Planetaren Grenzen, um zukünftige Forschung mit Nachhaltigkeit in Einklang zu bringen, unabhängig von der Chemie. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Sicherung des Handlungsraums, den die Menschheit für ihr Überleben benötigt, gesichert werden kann, sofern zukünftige Bemühungen über die Etablierung von Nachhaltige Chemie, Ressourcen Effizienz und Netto-Null Emission hinaus gehen.

Die Komplexierung von negativ geladenen Huminsäuren (HA) durch kationische Polyelektrolyte (cPE) ist eine wirksame Methode in der konventionellen Wasseraufbereitung, um die Qualität des Trinkwassers zu verbessern. Um diesen Prozess zu optimieren, ist es wichtig, die Wechselwirkung zwischen HA und cPE in grundlegender physikalisch-chemischer Hinsicht zu verstehen.

In dieser Studie wird eine Reihe von modifiziertem kationischem Chitosan (qCs) verwendet, das aus natürlichen Abfällen stammt, um eine umweltfreundliche Lösung zu entwickeln. Die kolloidale Struktur der gebildeten HA-qCs-Komplexe wird mittels Synchrotron-Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) in Abhängigkeit von Mischungsverhältnis und pH-Wert untersucht. Durch die Kombination mit Stop-Flow-Geräten kann die Kinetik der frühen Phase der Komplexbildung in einer Zeitskala von wenigen Millisekunden untersucht werden. Es wurde beobachtet, dass sich durch die Anpassung des Quaternisierungsgrads von qCs eine Verschiebung des Phasendiagramms ergibt, die mit der Aggregatstruktur korreliert. Diese wiederum beeinflusst die Organisation im größeren Maßstab und die Neigung zur Ausflockung. Diese Erkenntnisse aus der Kolloidwissenschaft sind vielversprechend für die Optimierung der Wasseraufbereitung in industriellen Bereichen.

Im Jahr 2022 wurde die Norm EN 17658 für die Wäschedesinfektion veröffentlicht, die Candida albicans als Testorganismus für Hefen verwendet.

In jüngster Zeit wurde über eine Zunahme von Infektionen durch verschiedene Candida-Spezies, wie C. auris und C. parapsilosis berichtet [1-3], was zu einer höheren Relevanz dieser Arten für die Wäschehygiene nicht nur im Krankenhaus, sondern auch im häuslichen Umfeld führen könnte.

Diese Studie konzentriert sich auf die Reduktion verschiedener Candida-Spezies in standardisierten Waschprozessen gemäß EN 17658, um mögliche Unterschiede zwischen dem ursprünglichen Teststamm und neu auftretenden pathogenen Candida-Spezies zu erkennen.

Ein handelsübliches Pulver-Colorwaschmittel, ein Colorwaschmittel in Kombination mit einem bleichenden Zusatz und ein Vollwaschmittel wurden mit dem IEC A Standardwaschmittel mit und ohne Zusatz von aktivierter Sauerstoffbleiche verglichen. Die Tests wurden bei Temperaturen von 20 °C bis 40 °C durchgeführt und decken damit den Temperaturbereich der Prüfmethode ab.

Das Versuchsdesign ermöglicht die Bewertung der hygienischen Wirksamkeit auf der Grundlage haushaltsüblicher Waschverfahren, die insbesondere bei der Pflege im häuslichen Umfeld eine wichtige Rolle spielen.

Unsere Ergebnisse zeigen ein unterschiedliches Verhalten der untersuchten Stämme, was darauf hindeutet, dass die hygienische Wirksamkeit von Waschverfahren gegenüber neuer relevanter Candida-Arten kritisch betrachtet werden muss.

Referenzen:
Branco, J., Miranda, I. M. & Rodrigues, A. G. Candida parapsilosis Virulence and Antifungal Resistance Mechanisms: A Comprehensive Review of Key Determinants. J. Fungi 9, 80 (2023).
Sun, M. et al. Increase in Candida parapsilosis candidemia in cancer patients. Mediterr. J. Hematol. Infect. Dis. 11, 1–7 (2019).
Cristina, M. L. et al. An Overview on Candida auris in Healthcare Settings. J. Fungi 9, 913 (2023).

Leistungsstarke Reinigungsmittel benötigen Zutaten mit spezifischen funktionalen Eigenschaften in komplexen Formulierungen. Die Herstellung derselben erfolgt zugleich in Wertschöpfungsketten unter Beteiligung zahlreicher Akteure und in integrierten Anlagen. Nachhaltige Entwicklung von Waschmitteln, insbesondere die Reduktion von Klimagas-Emissionen, erfordert daher insbesondere das Zusammenspiel von Firmen entlang der Wertschöpfungskette. Wesentliche Hebel dafür liegen in der zunehmenden Verwendung von zirkulären Rohstoffen aus nachhaltiger Biomasse, Recycling und CCU-Quellen, der Transformation der Energieversorgung in der Produktion hin zu erneuerbaren Energien, der Etablierung neuen und effizienteren Verfahren zur Treibhausgas-Vermeidung in der Produktion, sowie der Entwicklung von Zutaten und Formulierungen, welche Energie-Einsparung in der Anwendung durch Konsumenten ermöglichen. Die Weiterentwicklung von Standards zur Berechnung und dem Datenaustausch von Unternehmens-spezifischen, vergleichbaren Product Carbon Footprints führt zu mehr Transparenz der Emissionsquellen entlang der Wertschöpfungskette und ermöglicht so prinzipiell zukünftig die nachhaltige Steuerung des Portfolios von Rohstoffen und Entwicklungskandidaten. Die Herausforderung besteht dabei in der Entwicklung von Kapazitäten durch wirtschaftliche und technisch umsetzbaren Treibhausgas-Reduktionsmaßnahmen hin zu Netto-Null-Emissionen in den nächsten maximal 25 Jahren, welche nur schrittweise erfolgen kann. Mit Hilfe der Massenbilanz können erfolgte teilweise Umstellungen auf Unternehmens-Ebene dennoch sofort und vollumfänglich auf ausgewählte Inhaltsstoffe und Kunden innerhalb der Wertschöpfungskette zugeordnet werden, sodass ihr Effekt sichtbar und wertbringend wird. Aktuelle Entwicklungen werden anhand von Beispielen vorgestellt.

Der CO₂-Fußabdruck z. B. eines Waschmittels kann verringert werden, indem ein Teil der petrochemisch hergestellten Tenside durch ein Biotensid ersetzt wird, welches nicht nur vollständig biobasiert ist, sondern auch biologisch hergestellt wird. Ist dies bereits nachhaltiges („green“) Waschen (oder nur Greenwashing)? Ausgehend von der Tatsache, dass Rhamnolipide durch Enzyme hergestellt werden, sollte es nicht überraschen, dass Biotenside von Natur aus mit Proteinen kompatibel sind. Die fehlende Wechselwirkung mit kationischen Gruppen eines Proteins ist auch ein Grund dafür, dass die Deposition kationischer Polymere auf Haaren stark verbessert wird, wenn die klassischen anionischen Tenside in einem konditionierenden Shampoo vollständig durch Rhamnolipide ersetzt werden. Auch in Waschmitteln ist es nicht ausreichend, nur einen kleinen Teil der klassischen Tenside durch Biotenside zu ersetzen, um deren volles Potenzial auszuschöpfen: Ultimativ ökologisches Waschen erfordert neue Formulierungskonzepte, die auf den besonderen Eigenschaften von Biotensiden basieren. Darüber hinaus sollten Biotenside eine gewisse Kompatibilität mit Mikroorganismen aufweisen, zumindest mit ihren Produzenten, während sie andere möglicherweise hemmen. Dies ist ein wichtiger Aspekt, da die Verbraucher im Allgemeinen davon ausgehen, dass das Händewaschen mit Seife zur Bekämpfung von Mikroben beiträgt. Eine selektive antimikrobielle Wirkung könnte also dazu beitragen, schädliche Keime zu reduzieren und gleichzeitig das natürliche Hautmikrobiom zu schützen.

Wir hinterlassen unsere Spuren auf allem, was wir berühren. Sei es auf den Gläsern unserer Brille, auf der Tastatur, mit der wir arbeiten, oder auf dem Türgriff unseres Zuhauses. Entgegen der allgegenwärtigen Übertragung von Hautfetten ist ihre Entfernung komplizierter. Reinigungsmittel sind nur unzureichend mit Lipiden benetzbar und es werden zusätzliche Materialien benötigt. Dennoch ist die Entwicklung spezialisierter Materialien möglich und kann durch gezielte Oberflächencharakterisierungen mittels Kontaktwinkelmessungen erleichtert werden. Da dieser Ansatz stark von der Art der Verschmutzung abhängt, konzentriert sich die vorliegende Studie auf lipidhaltige Hautersatzstoffe und dient als Anwendungsbeispiel. Durch die Anwendung des Zisman-Modells werden wesentliche Erkenntnisse gewonnen. Da es die Oberflächenenergie beschreibt, die eine Flüssigkeit benötigt, um sich einem Festkörper zu benetzen, bietet sich ein Vergleich mit der Oberflächenenergie der Verschmutzung an. Da aber nicht nur die gesamte Oberflächenenergie von Bedeutung ist, sondern auch die Anteile der einzelnen Oberflächenenergiekomponenten und der zugehörigen molekularen Wechselwirkungen, wird das Van-Oss-Modell angewandt. Diese Unterscheidung zwischen den Wechselwirkungen gibt wichtige Informationen über den zugrunde liegenden Adhäsionsmechanismus. Werden beide Modelle kombiniert, sind gezielte Rückschlüsse auf ein geeignetes Material möglich. Daher kann diese Anwendung die Entwicklung von speziellen Reinigungsgeräten potenziell erleichtern.

Wir untersuchen flüchtige Aromastoffe (Linalool, Citronellol, Geraniol, Menthol) im Hinblick auf ihre Fähigkeit, an Luft/Wasser-Grenzflächen (A/W) zu adsorbieren – sie sind hoch oberflächenaktiv und weisen eine recht schnelle anfängliche Adsorption auf, wie sich an der Oberflächenspannung zeigt Messungen. Außerdem werden die Gleichgewichtsadsorptionsisothermen sowie die relevanten physikalisch-chemischen Parameter besprochen. Die „tensidähnlichen“ Eigenschaften dieser Parfüminhaltsstoffe werden durch Verdunstung beeinflusst. Wir führen Modellexperimente mit allmählicher Sättigung wässriger, anhängender Tropfen aus Dämpfen und anschließender Verdunstung an der Luft durch und führen auch Messungen mit Verdunstung von Lösungstropfen durch. Es wurde festgestellt, dass die A/W-Oberflächenspannung während der Verdampfung mit der Zeit zunimmt. Die Daten werden nach einfachen Modellüberlegungen interpretiert, die den Einfluss von Barrieren für die Desorption in Richtung der Gasphase einbeziehen [wie in Colloids Surfaces A 625 (2021) 126931, Langmuir 38 (2022) 2793 beschrieben]. Es wird ein wichtiger kinetischer Parameter bestimmt – der Stoffübergangskoeffizient, der die Geschwindigkeit des molekularen Austauschs durch die Grenzfläche quantifiziert. Im Verlauf der Verdunstung wird auch die Oberflächenelastizität gemessen, und zwar anhand kleiner Schwingungen in der Fläche/Volumen des Tropfens. Der beobachtete Trend ist ein allmählicher Anstieg der Elastizitätsmodule, der im Zusammenhang mit dem Beitrag lokaler Stoffflüsse des flüchtigen Amphiphils (Parfüms) zwischen der Grenzfläche und dem angrenzenden Untergrund bei Vergrößerung der Fläche erklärt werden kann oder vertraglich vereinbart. Unsere Ergebnisse können nützlich sein, wenn nach Erklärungen für die Rolle von Aromastoffen bei der Stabilisierung disperser Systeme (z. B. Tröpfchen) unter dynamischen Bedingungen gesucht wird, wenn Stoffaustausch (Verdampfung) gleichzeitig mit Adsorption/Desorption stattfindet.

Danksagungen
Die Autoren danken der Europäischen Union – NextGenerationEU – für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des „Nationalen Wiederherstellungs- und Resilienzplans“ der Republik Bulgarien, Vertrag Nr. 70-123-260/2024, Projekt BG-RRP-2.004-0008 SUMMIT.

Zucker sind wahre Multitalente – sie sind ein wichtiger Energielieferant wie Glukose, sie sind hochfunktionale Materialien wie Zellulose und sie spielen eine zentrale Rolle in vielen biologischen Informationsprozessen wie der Zell-Zell-Kommunikation. Die Kombination von Zuckern und synthetischen Polymeren bei der Entwicklung sogenannter Glykopolymere ermöglicht daher Zugang zu hochvariablen und vielfältig funktionalen Materialien mit breiten Anwendungsmöglichkeiten. Dieser Vortrag präsentiert die Synthese und Anwendungen amphiphiler Glykopolymere – ihre Selbstorganisations- und Adhäsionseigenschaften sowie ihre Anwendungen zur Erkennung und Hemmung von Krankheitserregern.