Funktionale abbaubare Polyester als elektrogesponnene Wundverschlussmaterialien im Pflanzenschutz

Titelangaben

Buchholz, Viola:
Funktionale abbaubare Polyester als elektrogesponnene Wundverschlussmaterialien im Pflanzenschutz.
Bayreuth , 2017 . - 133 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

In den letzten Jahrzehnten konnte eine zunehmende Ausbreitung der Weinrebenerkrankung Esca vor allem in Europa festgestellt werden. Daher besteht ein hoher Bedarf an neuen Lösungs-ansätzen für die Entwicklung von Gegenmaßnahmen zur Eindämmung der Erkrankung. Die Infektion erfolgt durch Pilzsporen, die in offene Wunden eindringen. Aktuelle Maßnahmen, wie zum Beispiel die Desinfektion der Schnittflächen nach dem Rebschnitt, zeigen nur geringe Erfolge. Ziel dieser Forschungsarbeiten war daher die Entwicklung eines atmungsaktiven Wundverschlusses aus elektrogesponnenen polymeren Fasern. Durch die fein-porige Struktur der Fasermatten sollten die Sporen aufgehalten und somit die Infektion der Weinreben verhindert werden.
Die Forschungsarbeiten dieser Dissertation unterteilen sich mehrere Abschnitte. Zunächst wurde im Rahmen von umfangreichen Synthesearbeiten ein neues Polymer entwickelt, dass für die Anwendung passende thermische und mechanische Eigenschaften aufweist. Anschließend wurden elektro¬gesponnene Wundauflagen hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung als Wund-verschluss¬material untersucht.
Ein geeignetes Polymer für eine Anwendung als Wundverschlussmaterial muss verschiedene Anforderungen erfüllen, wie zum Beispiel biologische Abbaubarkeit, mechanische Flexibilität und die Verarbeitbarkeit mittels Elektrospinnen ohne den Einsatz von organischen Lösungs-mitteln. Zu Beginn wurde dabei auf die Grund¬struktur alipha¬tischer Polyester aufgebaut, einer Strukturklasse abbaubarer Polymere. In vielen Fällen sind entsprechende Polymere hingegen mechanisch steif und spröde. Durch die Einführung von kurzen Seitenketten in die lineare Polymerstruktur wurden die mechanischen Eigenschaften durch eine Verringerung der Kristallinität modifiziert. Es wurden dabei Polymere mit einem Anteil an Seitenketten-Monomer von bis zu 50 % hergestellt. Analysen der thermischen Eigenschaften sowie Röntgen¬beugungs-experimente bestätigten eine Abnahme der Kristallinität, die zu einer wesentlichen Veränderung der mechanischen Eigenschaften führte. In Zugversuchen konnte mit steigendem Seitenketten-anteil eine zunehmende maximale Dehnbarkeit und ein abnehmendes E-Modul gefunden werden. Dadurch entstand ein weicheres und dehnbares Material, dass für eine mögliche Anwendung als Wundverschlussmaterial infrage kam. Die Abbaubarkeit in enzym¬haltiger Lösung konnte für die Polyester mit aliphatischen Seiten¬ketten bestätigt werden.
Die Flexibilität des entwickelten Materials sollte in einem zweiten Schritt durch UV-induzierte Vernetzung des Polymers erreicht werden. Dazu wurden Doppelbindungen in die Polymerkette eingebaut. Diese ermöglichten eine kontrollierte Vernetzung, wodurch aus dehnbaren Polymeren flexible Materialien erzeugt werden konnten. In einem weiteren Schritt wurde die Polymerstruktur um einen Methoxy¬polyethylenglykol-Block (MPEG) erweitert. Durch die Kom-bination des hydrophoben Polyester-Blocks mit dem hydrophilen MPEG wurde eine tensid-ähnliche Struktur aufgebaut, wodurch über einen Schmelzprozess stabile Dispersionen in Wasser hergestellt werden konnten. Bei der Verarbeitung via Elektrospinnen konnte dadurch auf organische Lösungsmittel verzichtet werden.
Zusätzlich zu den gewünschten Eigenschaften zeigten die neuen Polymere auch ein adhäsives Verhalten. Dieser Aspekt wurde eingehend charakterisiert, in dem die Zugscherkäfte von Klebungen zwischen Glasoberflächen ermittelt wurden. Es zeigte sich eine stärkere Anbindung durch den hydrophilen MPEG-Anteil im Block¬copolymer. Durch eine UV-induzierte Vernetzung der Polymere innerhalb der Klebeschicht konnte die Klebekraft zusätz¬lich verstärkt werden. In enzymatischen Tests konnte die Abbaubarkeit der adhäsiven Polymere bestätigt werden. Während der Einbau des hydrophilen Blocks in die Polymerstruktur eine Beschleunigung des Abbaus verursachte, zeigte die Vernetzung der Polymere keinen Einfluss auf das Abbauverhalten. Dadurch sind unter anderem medizinische Anwendungen als Hautkleber denkbar.
Es wurden stabile Dispersionen des entwickelten Polymers durch die sogenannte Schmelz-Dispersionsmethode hergestellt. Dazu wurde das Polymer direkt in Wasser aufgeschmolzen und die Mischung durch zusätzliches Polyethylenoxid (PEO) stabilisiert. Die Dispersion wurde anschließend zu elektrogesponnenen Fasern verarbeitet. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf der Optimierung der Spinnparameter. Nur durch einen ausreichenden Trocknungseffekt während des Spinnprozesses konnten Fasern beziehungsweise feste Fasermatten hergestellt werden. Dennoch zeigte sich eine Instabilität der Faserstruktur. Nach Kontakt mit Wasser zerfielen die Fasern in kleinste Bruchstücke. Es zeigte sich in TEM-Analysen, dass die Fasern keine homogene Zusammensetzung aufwiesen. Vielmehr bildeten sich Fasern auf PEO-Basis mit kleinen Domänen des entwickelten Blockcopolymers. Die Fasermatte ist aufgrund dieser Instabilität für die Anwendung als Wundverschluss im Weinbau nicht geeignet. Eine Reihe anderer Anwendungs¬möglichkeiten wie z.B. als Schutzhüllen für Obst oder als Tapetenkleber wurden getestet.
Im letzten Abschnitt der vorliegenden Forschungsarbeiten wurden elektrogesponnene Faser-matten hergestellt um eine mögliche Anwendung als Barriere gegenüber Pilzsporen zu testen. Der erste Ansatz eines Wundverschlusses war ein mechanischer Filter. Ziel war es eine dicke Fasermatte herzustellen, die das Durchdringen der Pilzsporen verhindert. Da die durch¬geführten Synthesearbeiten kein stabiles Material ergaben, wurde Polylactid-co-glycolid (PLGA), ein kommer¬zieller Polyester, eingesetzt. Die Optimierung der Parameter für das Elektro¬spinnen ergab repro¬duzier¬bare Bedingungen, unter denen einheitliche Fasern mit einem Durchmesser von 1,2 µm hergestellt werden konnten. Durch Variation der Spinndauer konnten Fasermatten mit unter¬schiedlichen Schichtdicken (34, 56, 86, 141 und 221 µm) hergestellt werden. Die Charak¬¬terisierung der Fasermatten beinhaltete unter anderem die Ermittlung der Poren¬größen-verteilung. Diese lag unabhängig von der Schichtdicke zwischen 0,25 und 5,25 µm. In einem Filter¬prüf¬stand wurde die Filtrationsleistung unter Verwendung eines Aerosols als Test¬partikel analysiert. Dabei konnten mit Fasermatten der Dicke ab 86 µm die Testpartikel (0,2 µm) voll-ständig aus einem Luftstrom herausgefiltert werden. Aufbauend auf diesen Filtrationstests wurden auch Untersuchungen mit Pilzsporen durchgeführt. Die guten Filtrationsleistungen konnten jedoch nicht bestätigt werden. Die lebenden biologischen Organismen wurden zwar teilweise aufgehalten, ein kleiner Anteil gelangte dennoch durch die Fasermatte hindurch, was bei einer möglichen Anwendung zur Infektion führen könnte. Daraufhin wurde das System weiter entwickelt. In einem zweiten Ansatz wurden Fasern aus Polybutylen¬adipat-terephthalat (PBAT) mit der antimikrobiellen Komponente Polyhexamethylen¬guanidin (PHMG) hergestellt. Durch die Kombination einer mechanischen Barriere mit der antimikrobiellen Wirkung gegen die Pilz-sporen konnte eine Fasermatte generiert werden, die das Durch¬dringen der Sporen aktiv verhindert. Die Ergebnisse belegen die potenzielle Anwendbarkeit elektrogesponnener Faser-matten in Kombination mit antimikrobieller Wirkung als effektive Wund¬verschluss¬materialien für Weinreben.

Abstract in weiterer Sprache

During the last decades, the grape vine disease Esca has spread all around the world, especially in Europe. New approaches to effective countermeasures are needed to reduce further infections. Fungal spores cause these infections by penetrating open wounds of the plant. Including disinfection of cross sections after pruning, current countermeasures have proven to be insufficient. Therefore, the aim of this thesis is to develop a breathable wound closing material made out of electrospun polymeric fibers. The fiber mats with a porous structure should prevent the penetration by the spores and, in consequence, the infection of the vine plant.
This thesis is separated into several parts including extensive synthetic work to design a polymer material with thermal and mechanical properties adjusted to the potential application. Subsequently, electrospun wound closures were prepared and tested by means of their barrier properties against fungal spores.
For the application as electrospun nonwoven, the polymeric material should fulfill several requirements such as degradability, mechanical flexibility and processability via electrospinning without use of organic solvents. Due to the well-known degradability of this polymer class, the starting polymer for the synthesis was an aliphatic polyester. A main disadvantage of these polymers is there brittleness and stiffness. The introduction of short side chains varied the mechanical properties by reducing the crystallinity of the polymer. The amount of monomer with side chains was increased up to values of 50 %. The reduced crystallinity was proved by diffraction experiments and thermal analysis; the mechanical properties changed eventually. Tensile tests showed an increasing maximum strain and a decreasing Young’s modulus for increasing amounts of side chains. The resulting polymers are softer and more ductile resulting in improved properties for the application as wound closing material. The enzymatic degradability was confirmed for the synthesized aliphatic polyester with side chains.
The second step of designing a new polymer was creating flexibility. Small amounts of double bonds were introduced into the polymer back bone. Controlled cross-linking via UV light created a ductile and flexible material. Additionally, the polymer was extended by a hydrophilic block using methoxy-¬polyethylenglycol (MPEG) as macromonomer. The combination of the hydro-phobic polyester and the hydrophilic polyether block exhibited surfactant-like properties. Using melt dispersion method stabile mixtures of the polymer in water were prepared. This enabled processing via electrospinning to thin fibers without the use of organic solvents.
A side effect of these new polymers was an adhesive property. This feature was intensively characterized by determination of shear strength on glass surfaces. The results showed a better adhesion for the polymer with hydrophilic MPEG block. Furthermore, the shear strength could be increased by the UV light induced cross-linking of the bonded material. Also the enzymatic degradability of the adhesive materials was demonstrated. The block structure with the hydrophilic MPEG block increased the rate of decomposition, while the cross-linking obviously had no effect on the degradation behavior. Possible applications of these new polymers with adhesive properties might be in the medical field as glue for skin and tissue.
The designed block polymer was dispersed in water using melt dispersion method. Thereby, the polymer was melted directly in hot water und the mixture was stabilized by additional amounts of polyethylenoxid (PEO). Via electrospinning, thin polymer fibers were accessible. Main part of this work was the optimization of the spinning parameters. Low air humidity was necessary to generate dry and solid fibers. Upon contact with water, the fibers were found to be instable. The electrospun fiber mat disintegrated immediately into small fragments. TEM measurements proved the inhomogeneous constitution of the fibers. Small domains of the synthesized polymer were distributed in a PEO matrix. In consequence, the developed polymer was unusable for the proposed application as wound closure in viticulture. However, possible applications as wrapping material for fruits and as wallpaper glue were investigated.
The last part of the thesis focused on the preparation of electrospun nonwovens as barrier material against Esca related fungal spores. The first approach was a mechanical barrier. The concept contained a thick nonwoven, which prevented the penetration of the spores. Since the synthetic work did not lead to a stable polymeric material, polylactide-co-glycolide (PLGA), a commercially available polymer, was used. The parameters of the electrospinning were optimized to enable a stable processing and uniform fibers with a diameter of 1.2 µm. By varying the spinning duration, nonwovens of different thicknesses (34, 56, 86, 141 and 221 µm) were prepared. The distribution of the pore size was determined by capillary flow porometry. Independent on the thickness, the pore size varied from 0.25 µm to 5.25 µm for all samples. A filter test bench was used to determine the filtration efficiency to remove aerosol test particles from air. Nonwovens of thicknesses higher than 86 µm collected all particles from the air stream. The following biological filter tests with fungal spores showed different results. The living organisms were partially captured inside the nonwoven, small amounts penetrated the material. In case of a possible application on a vine plant, this could lead to an infection. The second approach was an electrospun nonwoven comprised of polybutylene ¬adipate terephthalate (PBAT) blended with antimicrobial polyhexamethylene ¬guanidine (PHMG). The combination of a nonwoven as mechanical barrier and a microbial function prevented the penetration of the fungal spores completely. These results proved the potential applicability of electrospun nonwovens combined with antimicrobial polymers as effective wound closures for vine plants.