774110 Biomaterialchemie

Art
Vorlesung
Semesterstunden
2
Vortragende/r (Mitwirkende/r)
Liebner, Falk , Beaumont, Marco
Organisation
Angeboten im Semester
Wintersemester 2024/25
Unterrichts-/ Lehrsprachen
Deutsch
Lehrinhalt

In diesem Kurs erlernen Sie grundlegende Kenntnisse über die Wissenschaft der polymerbasierten Biomaterialien, die in unserem Leben und in der Zukunft eine entscheidende Rolle spielen. Sie erhalten Einblicke in Polymere und Polymerisationstechniken sowie in biomimetische und bio-inspirierte Ansätze. Zudem werden Sie in das Thema Aerogele eingeführt, hochporöse Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften, die vermehrt in der biomedizinischen Forschung Anwendung finden. Aktuelle Forschungsbeispiele werden im Kurs integriert, um Ihnen die Vielseitigkeit und Relevanz dieser Materialien näherzubringen. Ein weiterer Schwerpunkt des Kurses liegt auf bioabbaubaren Polymeren, die Abbaubarkeit von Polymeren und den damit verbundenen Recyclingprozessen und Herausforderungen. Der Kurs bietet Ihnen die Gelegenheit, Einblicke in das Zusammenspiel von Chemie, Materialwissenschaft und Biologie zu erhalten.

Einheit 1: Einführung in die Biomaterialchemie
•Vorstellung und generelle Informationen zur Lehrveranstaltung
•Definition und Klassifikation von Biomaterialien
•Polymerische Biomaterialien

Einheit 2: Polymere und Polymerisationsmethoden
•Grundlagen der Polymere
•Polymerisationsmethoden

Einheit 3 und 4: Polymere für Biomaterialien I+II
•Kettenwachstumsreaktionen - Beispiele von Polymeren und Ihre Herstellung
•Stufenwachstumsreaktionen und ringöffnende Polymerisation - Wichtige Polymerklassen und ihre Produktion
•Eigenschaften dieser Polymere und Anwendungen in der Medizintechnik
•Rolle und Beispiele von Weichmachern

Einheit 5: Polymere für Biomaterialien III
•Biologisch abbaubare Polymere
•Sterilisierung

Einheit 6: Biomimetische und bioinspirierte Materialien I
•Einführung in biomimetische Materialien
•Biomimetische Strukturen und ihre Anwendungen

Einheit 7: Biomimetische und bioinspirierte Materialien II
•Beispiele und wichtige Biopolymere
•Medizinische und industrielle Anwendungen
•Komplexe Verbundwerkstoffe in der Natur

Einheit 8: Aerogele Grundlagen
•Einführung
•Eigenschaften und Struktur von Aerogelen
Einheit 9: Biobasierte Aerogele I
•Einführung
•Aerogele aus „vorgefertigten“ Biopolymernetzwerken

Einheit 10: Biobasierte Aerogele II
•Prinzipien zur Herstellung von formstabilen Cellulosegelen aus Lösungen
•Von Cellulose II Gelen zu Cellulose II Aerogelen
•Beispiele aus der Forschung

Einheit 11: Biobasierte Aerogele III
•Herstellung von Hydrogelen aus biobasierten Kolloiden
•Eigenschaften und Funktionalisierung von Aerogele

Einheit 12: Alterung und Abbau von synthetischen Polymeren I
•Einführung
•Chemische Abbauprozesse
•Einfluss der Struktur von Polymeren auf ihre Stabilität und Eigenschaften

Einheit 13: Alterung und Abbau von synthetischen Polymeren II
•Recycling von Polymeren und Umweltauswirkungen
•Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere

Einheit 14: Wiederholung, Zusammenfassung, Schlussfolgerung, Ausblick
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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Noch mehr Informationen zur Lehrveranstaltung, wie Termine oder Informationen zu Prüfungen, usw. finden Sie auf der Lehrveranstaltungsseite in BOKUonline.