Forschung Prof. Pich

  Forschung Prof. Dr. Pich Urheberrecht: © Prof. Pich et al., Angewandte Chemie - International Edition

Die Forschung der Arbeitsgruppe von Andrij Pich konzentriert sich auf die Synthese von Makromolekülen mit maßgeschneiderter Struktur sowie Architektur und nutzt hierfür verschiedene anspruchsvolle Polymerisationstechniken.

Einen Schwerpunkt bildet die Synthese von funktionellen molekularen Bausteinen. Als Beispiel zu nennen sind hier Monomere, Makromonomere und Präpolymere, die für einen kontrollierten Aufbau von Polymeren und Kolloiden eingesetzt werden. Als Methoden kommen neben der Polymerisation in homogenen Systemen oder der Heterophasenpolymerisation, die Präzipitationspolymerisation sowie mikrofluidische Reaktionsprozesse zum Einsatz. Für seine Forschung zieht er hierzu Inspiration aus biologischen Systemen und konzentriert sich insbesondere auf das chemische Design von Makromolekülen, die auf externe Stimuli reagieren, sich selbstständig zusammensetzen und deren Abbau sich programmieren lässt.

Arbeitsgruppe am DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V.

Jahresbericht des DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V.

Sonderforschungsbereich SFB 985 "Funktionelle Mikrogele und Mikrogelsysteme"

 

Forschungsthemen

Die große Expertise der Arbeitsgruppe von Andrij Pich liegt in der Synthese von Nano- und Mikrogelen sowie deren Nutzung für die Herstellung weicher, interaktiver Materialien mit aktiven Eigenschaften. Solche Eigenschaften sind zum Beispiel Formveränderungen, die Erkennung bestimmter Strukturen oder die Möglichkeit der Regeneration für einen Einsatz in der Katalyse, Pflanzenzucht, Biomaterialien und Beschichtungen.

Der Fokus liegt hierbei:

 

Adaptive Weiche Kolloidale Netzwerke: Chemisches Design von Nano- und Mikrogelen

Wässrige Nano- und Mikrogele sind einzigartige makromolekulare Architekturen mit außergewöhnlichen Eigenschaften wie Stimulus-Abhängigkeit, Oberflächenaktivität und Verformbarkeit, die auf die im Lösungsmittel aufgequollene kolloidale netzwerkartige Struktur zurückzuführen sind.

Unsere Forschung konzentriert sich auf die:

  • Entwicklung von Vernetzungen in kolloidalen Gelen (kovalent, schwach kovalent, supramolekular)
  • Integration von molekularen Schaltern, um stimulus-abhängige Mikrogele zu erhalten (pH, Licht, elektrisches Feld, mechanische Kraft)
  • Regulierung der Form und inneren Struktur von Mikrogelen durch Koazervation und polymerisationsinduzierte Selbstorganisation
  • Untersuchung der Polymerisationskinetik und der Mechanismen der Mikrogelbildung
  • Entwicklung neuer Syntheseansätze unter Verwendung von Prallstrahlreaktoren und Strömungschemie
  Chemisches Design von Nano- und Mikrogelen Urheberrecht: © Prof. Pich  

 

Kooperationspartner

  • Prof. Walter Richtering, Institut für Physikalische Chemie, RWTH Aachen
  • Prof. Igor Potemkin, Fakultät für Physik, Staatliche Lomonossow-Universität Moskau
  • Dr. Andrea Scotti, Institut für Physikalische Chemie, RWTH Aachen
  • Prof. Nikhil Kumar Singha, Kautschuk-Technologiezentrum, Indisches Institut für Technologie Kharapur
  • Prof. Alexander Mitsos, Systemverfahrenstechnik (AVT.SVT), RWTH Aachen
  • Prof. Kai Leonhard, Institut für Thermodynamik (LTT), RWTH Aachen
  • Prof. Svetlana Santer, Institut für Physik und Astronomie, Universität Potsdam

 

Reaktionen in Kompartimenten: Bio-inspirierte Katalysatorsysteme

Die Abiogenese ist ein natürlicher Evolutionsprozess mit zunehmender Komplexität, der molekulare Selbstreplikation, Selbstorganisation und Autokatalyse beinhaltet. Die Lokalisierung chemischer Reaktionen in Kompartimenten war der wesentliche Schritt in der Abiogenese, und das Verständnis ihrer grundlegenden Gesetzmäßigkeiten führt zu einem besseren Verständnis des Ursprungs des Lebens. Die Kompartimentierung ermöglicht eine Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeiten, eine Erhöhung der Selektivität und eine Modulation komplexer chemischer Umwandlungen in wässriger Umgebung.

Wir konzentrieren uns auf die Entwicklung adaptiver kolloidaler Katalysatoren durch maßgeschneiderte Integration von Organokatalysatoren, Metallkomplexen, Proteinen und Nanopartikeln in Mikrogelen. Die systematische Variation der Anzahl und Lokalisierung der katalytischen Zentren sowie der chemischen Struktur der Kompartimente in Mikrogelen ermöglicht die Entwicklung hochaktiver Katalysatoren für Aldolreaktionen, C-C-Kopplung und Polymerisationsreaktionen in homogener Phase und an Flüssig-Flüssig-Grenzflächen.

  Bild_Reaktionen in Komponenten Urheberrecht: © Prof. Pich  

 

Kooperationspartner

  • Prof. Sonja Herres-Pawlis, Institut für Anorganische Chemie, RWTH Aachen
  • Prof. Stefan Hecht, DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V. und Institut für Technische und Makromolekulare Chemie, RWTH Aachen
  • Prof. Igor Potemkin, Fakultät für Physik, Staatliche Lomonossow-Universität Moskau
  • Dr. Roman Nebesnyi, Fachbereich Forschung und Entwicklung, Lviv Polytechnic National University
  • Dr. Roman Vasiuta, Catalytic Center (CAT Center), RWTH Aachen
  • Dr. Christoph Gürtler, Leiter der Abteilung Katalyse und Technologie-Inkubation, Covestro Deutschland AG

 

Lebendige Materialien: Systeme aus weicher Materie mit Wahrnehmungs- und Regenerationsfähigkeiten

Die wichtigsten Merkmale des Lebens sind Ordnung, Stoffwechsel, Reaktion auf Stimuli, Reproduktion, Homöostase, Regeneration/Wachstum/Entwicklung und evolutionäre Anpassung. Die Übertragung dieser Grundsätze auf die Gestaltung von Werkstoffen könnte unsere Welt revolutionieren und neue Technologien für weiche Robotik, Informationstechnologien und Biomaterialien hervorbringen.

Wir kombinieren Enzyme, Bakterien und Zellen mit funktionellen Polymeren und Hydrogelen, um komplexe Materialien zu entwickeln. Diese Materialien sind in der Lage, ihre Umgebung wahrzunehmen, auf physikalische und chemische Stimuli zu reagieren und chemische Umwandlungen durch Formveränderung, programmierte Assemblierung/Disassemblierung oder Regeneration durch Wachstum durchzuführen.

  Bild_Lebendige Materialien Urheberrecht: © Prof. Pich  

 

Kooperationspartner

  • Prof. Laura De Laporte, DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V. und Fortschrittliche Materialien für die Biomedizin, RWTH Aachen
  • Prof. Ulrich Schwaneberg, Institut für Biotechnologie, RWTH Aachen
  • Prof. Sabine Neuß-Stein, Institute of Pathology and Helmholtz Institut für Biomedizinische Technik, BioInterface Gruppe, RWTH Aachen
  • Dr. Anja M. Boos, Klinik für Plastische Chirurgie, Hand- und Verbrennungschirurgie, Uniklinik RWTH Aachen
  • Prof. Georg Conrads, Orale Mikrobiologie und Immunologie, Uniklinik RWTH Aachen
  • Dr. Martin Zenke, Institut für Biomedizinische Technologien, Uniklinik RWTH Aachen

 

Wiederverwendung der Bausteine aus der Natur: Biobasierte Polymere und Nachhaltige Funktionelle Materialien

Die Natur hat durch den evolutionären Ansatz zahlreiche molekulare Architekturen geschaffen, die als Bausteine für die Herstellung komplexer Materialien mit einzigartigen Eigenschaften verwendet werden können. Dieser Ansatz reduziert die Nutzung fossiler Ressourcen und führt letztlich zu neuen nachhaltigen Materialien, die biokompatibel, abbaubar und umweltverträglich sind.

In unserer Forschung konzentrieren wir uns auf zwei Familien von natürlichen Bausteinen: Polyphenole und Polysaccharide. Polyphenole wie Tannine sind in jedem Zytoplasma aller pflanzlichen Zellen vorhanden und können leicht durch Extraktion aus den Schalen von grünem Tee oder Weintrauben gewonnen werden. Tannine können durch die Kombination von hydrophoben Kräften und Wasserstoffbrückenbindungen mit einer Vielzahl natürlicher und synthetischer Polymere interagieren. Dabei zeigen diese antibakterielle und antifungale Eigenschaften. Polysaccharide wie Pektin kommen in den primären Zellwänden von Landpflanzen vor und können aus Obst und Gemüse extrahiert werden. Pektin weist die interessante Fähigkeit auf, Metallionen in wässrigen Lösungen reversibel zu binden. Chitosan ist das Strukturelement des Chitins im Exoskelett von Krustentieren und weist antibakterielle Eigenschaften auf.

In unserer Arbeit verwenden wir Polysaccharide für die Herstellung von Kolloidosomen und funktionellen Fasern, für die Synthese von ungiftigen Flammschutzmitteln für Kunststoffe und Textilien sowie für die Entwicklung aktiver Bio-Grenzflächenbeschichtungen für medizinische Geräte.

  Bild_Bausteine aus der Natur Urheberrecht: © Prof. Pich  

 

Kooperationspartner

  • Prof. Lothar Elling, Institut für Biotechnologie und Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen
  • Prof. Regina Palkovits, Institut für Technische und Makromolekulare Chemie, RWTH Aachen
  • Prof. Ulrich Schwaneberg, Institut für Biotechnologie, RWTH Aachen
  • Dr. Felix Jakob, Institut für Biotechnologie, RWTH Aachen
  • Prof. Matthias Wessling, Chemische Verfahrenstechnik (AVT), RWTH Aachen

 

Intelligente Träger: Nachhaltige Trägersysteme für Medizin und Landwirtschaft

Der kontrollierte Transport von Molekülen ist für viele biologische und technologische Prozesse wichtig. Die ortsspezifische Abgabe und ausgelöste Freisetzung kleiner Moleküle ist für verschiedene Anwendungen sehr erwünscht, aber immer noch eine große Herausforderung, insbesondere wenn dies in komplexen Systemen erfolgen soll.

Wir entwickeln Trägersysteme auf der Grundlage von Mikrogelen für die Verabreichung von kleinen Molekülen, Proteinen und Nanopartikeln. Mikrogele dienen als Behälter, Protektoren (T, pH, enzymatischer Angriff), Cargo für den Transport und die gezielte Freisetzung der Nutzmoleküle. In unserer Forschung konzentrieren wir uns auf die Entwicklung maßgeschneiderter Mikrogel-Träger, die spezifisch an das Ziel binden und bei Bedarf Krebsmedikamente, antibakterielle Mittel, Düngemittel und Pestizide kontrolliert freisetzen können.

  Bild_Nachhaltige Trägersysteme Urheberrecht: © Prof. Pich  

 

Kooperationspartner

  • Prof. Andreas Herrmann, DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V. und Lehrstuhl für Makromolekulare Materialien und Systeme, RWTH Aachen
  • Prof. Ulrich Schwaneberg, Institut für Biotechnologie, RWTH Aachen
  • Dr. Felix Jakob, Institut für Biotechnologie, RWTH Aachen
  • Prof. Xiangyang Shi, Staatliches Hauptlabor für die Modifizierung von Chemiefaser- und Polymermaterialien, Internationales gemeinsames Labor für fortgeschrittene Faser- und niedrigdimensionale Materialien, Hochschule für Chemie, Chemieingenieurwesen und Biotechnologie, Donghua-Universität, Shanghai
  • Prof. Henner Hollert, Fachbereich für Evolutionsökologie und Umwelttoxikologie, Goethe Universität Frankfurt am Main
  • Prof. Uwe Conrath, Institut für Biologie 3, RWTH Aachen
  • Prof. Claudia Knief, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES), Universität Bonn
  • Dr. Shyam Pariyar, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES), Universität Bonn
  • Prof. Georg Groth, Institut für Biochemische Pflanzenphysiologie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
  • Prof. Holger Gohlke, Institut für Pharmazeutische und Medizinische Chemie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
  • Prof. Georg Petschenka, Institut für Phytomedizin, Universität Hohenheim
  • Dr. Aline Koch, Institut für Phytomedizin, Universität Hohenheim