Anwendungshinweis | ElastoSens™ Bio
PDMS-Polymere: Eigenschaften, Anwendungsbereiche und mechanisches Verhalten
von Maya Salame und Dimitria Camasao
Anwendungswissenschaftler
Was ist PDMS?
Polydimethylsiloxan (PDMS) ist ein synthetisches Polysiloxan-Polymer, das aus einem flexiblen anorganischen Siloxan-Grundgerüst (–Si–O–Si–) mit Methyl-Seitengruppen besteht. Diese einzigartige anorganisch-organische Struktur verleiht PDMS eine außergewöhnliche Kettenbeweglichkeit, eine sehr niedrige Glasübergangstemperatur sowie ein stabiles elastomeres Verhalten über einen weiten Temperaturbereich. PDMS wird ausschließlich durch industrielle Synthese hergestellt, die typischerweise die Hydrolyse und Kondensation von Chlorsilanen sowie die anschließende Ringöffnungspolymerisation von cyclischen Siloxanen umfasst.
PDMS ist von Natur aus hydrophob und nimmt kein Wasser auf und quillt in Wasser nicht auf. Daher PDMS selbst ist kein Hydrogel, sondern vielmehr ein Silikonelastomer. PDMS wird jedoch häufig in Hybridpolymersysteme, wie beispielsweise interpenetrierende Polymernetzwerke oder Silikonhydrogele, bei denen eine hydrophile Polymerphase die Wasseraufnahme ermöglicht, während PDMS für Elastizität, Durchlässigkeit und langfristige mechanische Stabilität sorgt.
Wesentliche Eigenschaften von PDMS-Polymeren
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Das physikalisch-chemische Verhalten von PDMS ist auf die Flexibilität und den teilweise ionischen Charakter der Siloxanbindung zurückzuführen.
- Polymerisationsmechanismen: PDMS-Ketten entstehen durch Ringöffnungspolymerisation von cyclischen Siloxanen.
- Vernetzungsstrategien:
- Kondensationshärtung durch Silanolreaktionen.
- Additionshärtung durch Hydrosilylierung zwischen vinyl- und hydridfunktionellen Siloxanen.
- Radikale oder lichtinitiierte Vernetzung, einschließlich Thiol-En-Reaktionen.
- Kondensationshärtung durch Silanolreaktionen.
- Bildung von Hybridmaterialien: PDMS lässt sich mit hydrophilen Polymeren kombinieren, um Silikonhydrogele oder sich gegenseitig durchdringende Polymernetzwerke zu bilden, die Wasser aufnehmen können.
Die Vernetzungsdichte, die Wahl des Katalysators und die Netzwerkarchitektur haben einen starken Einfluss auf die Elastizität, die Durchlässigkeit und das viskoelastische Verhalten.
Mechanische Eigenschaften
PDMS-Polymere weisen weiche, gummiartige mechanische Eigenschaften auf, die von elastischen und viskoelastischen Verhaltensweisen geprägt sind.
- Elastizität: Das flexible Siloxan-Grundgerüst ermöglicht große reversible Verformungen bei minimaler Hysterese.
- Einstellbare Steifigkeit: Die mechanischen Eigenschaften lassen sich über einen weiten Bereich hinweg anpassen, indem die Vernetzungsdichte, das Molekulargewicht zwischen den Vernetzungen oder durch Einbau sekundärer Polymernetzwerke verändert werden.
- Viskoelastisches Verhalten: PDMS zeigt unter zyklischer oder dauerhafter Belastung eine zeitabhängige Spannungsrelaxation und Energiedissipation.
- Langzeitstabilität: Das nicht abbaubare Siloxan-Grundgerüst bietet im Vergleich zu vielen Hydrogel-Systemen eine hervorragende mechanische Beständigkeit.
Biologische Wechselwirkungen
PDMS gilt allgemein als biokompatibel und bioinert.
- Zelladhäsion: Natives PDMS ist hydrophob und verhindert die Proteinadsorption sowie die Zellanhaftung; zur Förderung kontrollierter Zellinteraktionen werden üblicherweise Oberflächenmodifikationen oder die Hybridisierung mit hydrophilen Polymeren eingesetzt.
- Immunogenität: PDMS löst in biomedizinischen Anwendungen im Allgemeinen nur eine minimale Entzündungsreaktion aus.
- Abbau: PDMS ist enzymatisch nicht abbaubar, was zwar den langfristigen Einsatz begünstigt, jedoch Anwendungen einschränkt, bei denen ein Matrixwechsel erforderlich ist.
Anwendungsbereiche von PDMS-Polymeren
Gewebezüchtung
PDMS wird in großem Umfang als elastisches Substrat, als Bestandteil von Gerüsten und als Strukturmaterial im Bereich des Tissue Engineering. Seine einstellbare Steifigkeit, seine optische Transparenz und seine Kompatibilität mit Mikro- und Nanofabrikationstechniken ermöglichen eine präzise Steuerung mechanischer Reize und der Oberflächentopografie. In vielen Systemen dient PDMS als mechanisch stabiler Träger für Hydrogele, die eine zellinteraktive Umgebung bieten.
3D-Zellkulturen und Krankheitsmodelle
PDMS ist ein grundlegender Werkstoff für mikrofluidische Geräte und „Organ-on-Chip“-Plattformen. Zwar ist PDMS an sich kein Hydrogel, doch wird es häufig mit Hydrogelkompartimenten kombiniert, um 3D-Kultursysteme zu schaffen, in denen der Nährstofftransport, die mechanische Begrenzung und biochemische Gradienten präzise gesteuert werden können.
Arzneimittel-, Gen- und Zellverabreichung
PDMS ist an Silikon-Hydrogel-Systemen und interpenetrierenden Polymernetzwerken die für Anwendungen im Bereich der kontrollierten Wirkstofffreisetzung eingesetzt werden. In diesen Hybridmaterialien ermöglichen hydrophile Polymerphasen die Beladung mit Wirkstoffen und deren Freisetzung, während PDMS für Elastizität, Gasdurchlässigkeit und mechanische Robustheit sorgt.
Warum die Viskoelastizität von Polymeren auf PDMS-Basis von Bedeutung ist
Obwohl PDMS oft als rein elastisch beschrieben wird, weist es ein ausgeprägtes viskoelastisches Verhalten was sich unmittelbar auf die Funktionsleistung auswirkt. Zeitabhängige Spannungsrelaxation und Dämpfung beeinflussen die Art und Weise, wie Kräfte unter Dauer- oder zyklischer Belastung übertragen und abgebaut werden. In biomedizinischen und mechanobiologischen Anwendungen wirken sich diese viskoelastischen Eigenschaften auf die Mechanosensorik der Zellen, die langfristige mechanische Stabilität und die Ermüdungsbeständigkeit aus. In PDMS-haltigen Hydrogelsystemen spielt das viskoelastische Verhalten der PDMS-Phase eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der mechanischen Gesamtumgebung, der die Zellen ausgesetzt sind.
Verfahren zur Charakterisierung der Viskoelastizität von Polymeren auf PDMS-Basis
Die mechanischen und viskoelastischen Eigenschaften von PDMS werden üblicherweise mittels Zugversuchen, Druckversuchen, Rheometrie und dynamisch-mechanischer Analyse charakterisiert. Diese Verfahren liefern Messwerte für den Elastizitätsmodul, den Speichermodul und den Verlustmodul sowie für das Dämpfungsverhalten. Herkömmliche Methoden erfordern jedoch häufig direkten Kontakt, große Verformungen oder zerstörende Prüfungen, was ihre Eignung zur Verfolgung der Gelierungskinetik in Hybridsystemen oder zur Überwachung der mechanischen Entwicklung im Zeitverlauf an derselben Probe einschränkt.
Fallstudie: Mechanische Charakterisierung von weichen Polymersystemen auf PDMS-Basis unter Verwendung von ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bio: Ein zerstörungsfreies Messverfahren für weiche Materialien auf PDMS-Basis
Das ElastoSens™ Bio ist ein Ein berührungsloses, resonanzbasiertes Messgerät zur Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften weicher Materialien. Durch die Überwachung von Veränderungen im Schwingungsverhalten ermöglicht es die präzise Messung mechanischer Eigenschaften, ohne die Probe physikalisch zu verformen. Dieser Ansatz eignet sich besonders gut für weiche Polymere auf PDMS-Basis sowie für PDMS-haltige Hydrogelsysteme.
Zu den wesentlichen Vorteilen zählen die zerstörungsfreie Prüfung, die Echtzeitüberwachung, eine hohe Empfindlichkeit und Wiederholbarkeit sowie die Kompatibilität mit sterilen oder zellhaltigen Arbeitsabläufen. Das System ermöglicht die kontinuierliche Verfolgung mechanischer Veränderungen, die Erkennung von Flüssig-Fest-Übergängen in Hybridsystemen sowie die Langzeituntersuchung derselben Probe über einen längeren Zeitraum hinweg.
Um die Leistungsfähigkeit des ElastoSens™ Bio zu demonstrieren, haben wir eine Reihe von Tests an weichen Polymersystemen auf PDMS-Basis durchgeführt. Im folgenden Abschnitt werden die verwendeten Materialien und Methoden beschrieben; anschließend werden die Ergebnisse vorgestellt, die ein praktisches Beispiel für die Fähigkeit des Geräts liefern, viskoelastische Eigenschaften im Zeitverlauf zerstörungsfrei zu überwachen.
Material und Methoden
Polydimethylsiloxan (PDMS) wurde unter Verwendung von Sylgard 527 hergestellt, das aus einer PDMS-Basis mit Vinylendgruppen (Teil A) und einem hydrosilanhaltenden Härtungsmittel mit einem Platin-Katalysator (Teil B) besteht. Die beiden Komponenten wurden im Gewichtsverhältnis 1:1 gemischt. Vor der Prüfung wurde kein Entgasungsschritt durchgeführt.
Unmittelbar nach dem Mischen wurde das unausgehärtete PDMS direkt in den Makroprobenhalter gegeben (Gesamtvolumen 2,0 ml). Um ein Austrocknen der Oberfläche und eine Verdunstung während der Langzeitprüfung zu verhindern, wurde die Probenoberfläche mit einer Verdunstungsschutzflüssigkeit bedeckt.
Die Aushärtungskinetik und die Entwicklung der Volumensteifigkeit wurden über einen Zeitraum von 24 Stunden bei 70 °C mit dem ElastoSens Bio überwacht. Die Messungen erfolgten alle 20 Sekunden, wodurch sowohl das Aushärtungsverhalten in der Anfangsphase als auch die Annäherung an die endgültige Plateau-Steifigkeit erfasst werden konnten. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt.
A
B
Abbildung 1. PDMS im Verhältnis 1:1: (A) nach dem Einsetzen in den Makrohalter und (B) nach 24-stündiger Prüfung und Entnahme aus dem Halter.
Ergebnisse und Diskussion
Das zeitabhängige viskoelastische Verhalten der 1:1-Sylgard-527-PDMS-Proben ist in Abbildung 2 dargestellt. Während der gesamten Aushärtungszeit von 24 Stunden stiegen sowohl der Scherspeichermodul (G′) als auch der Scherverlustmodul (G″) an, was mit einer fortschreitenden Vernetzung und Netzwerkbildung übereinstimmt. Am Ende des Experiments erreichte G′ einen Wert von 7048 ± 43 Pa, während G″ bei 2420 ± 167 Pa ein Plateau erreichte. Der im Vergleich zu G″ höhere Endwert von G′ deutet darauf hin, dass das Verhalten des ausgehärteten Materials überwiegend elastisch war, d. h., die Energiespeicherung im vernetzten Netzwerk überwog gegenüber der viskosen Energiedissipation.
Der Dämpfungsfaktor (tan δ = G″/G′) erreichte im Durchschnitt nach 9,54 Minuten sein Maximum. Dieser Spitzenwert entspricht dem Übergangspunkt, der den Wechsel von einem vorwiegend flüssigkeitsartigen Verhalten (viskositätsdominiert) zu einem festkörperartigen elastischen Netzwerk markiert, das sich im Verlauf der Aushärtung weiter versteift.
Abbildung 2. Zeitabhängiges Aushärtungsprofil von PDMS im Mischungsverhältnis 1:1 über einen Zeitraum von 24 Stunden. Repräsentative G’-, G’’- und tanδ-Kurven (blau, orange bzw. grau), die die Entwicklung der viskoelastischen Eigenschaften bei 70 °C darstellen (n = 3).
Schlussfolgerungen und Ausblick
Das mechanische Verhalten von weichen Polymersystemen auf PDMS-Basis—die durch ihre Viskoelastizität, Vernetzungsdichte und zeitabhängige Reaktion bestimmt wird—ist von zentraler Bedeutung für ihre Leistungsfähigkeit in den Bereichen Mikrofluidik, Mechanobiologie und hybride Hydrogel-Plattformen. Da PDMS-Materialien weich und elastisch sind und häufig in Kontakt mit biologischen Systemen eingesetzt werden, muss ihre Mechanik charakterisiert werden, ohne dabei ihre Struktur oder Sterilität zu beeinträchtigen.
- Zerstörungsfreie Technologie, die für weiche Polymere und Elastomere optimiert ist.
- Hohe Empfindlichkeit und Wiederholgenauigkeit für zuverlässige Steifigkeitsmessungen.
- Möglichkeit zur Überwachung der Aushärtungs- und Gelierungskinetik, einschließlich Flüssig-Fest-Übergang.
- Direkte Messung der der Endsteifigkeit nach der Netzwerkbildung.
- Langzeituntersuchungen derselben Probe über einen längeren Zeitraum hinweg, bei Bedarf unter sterilen Bedingungen.
- Integriertes Photostimulationsmodul ermöglicht Echtzeitüberwachung der Photokreuzvernetzung, sofern erforderlich.
Insgesamt trägt ElastoSens™ Bio zu einem tieferen Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von PDMS bei und verbessert die Reproduzierbarkeit sowohl in der Forschung als auch in der angewandten Praxis.
Literaturverzeichnis
González Calderón, J. A., Contreras López, D., Pérez, E., & Vallejo Montesinos, J. (2020). Polysiloxanes as polymer matrices in biomedical engineering: Their interesting properties as the reason for the use in medical sciences. Polymer Bulletin, 77(5), 2749-2817.
Shakeri, A., Khan, S., & Didar, T. F. (2021). Conventional and emerging strategies for the fabrication and functionalization of PDMS-based microfluidic devices. Lab on a Chip, 21(16), 3053-3075.
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