Polymere in der Medizin Teach article

Author(s): Establish project

Übersetzt von Hildegard Kienzle-Pfeilsticker. Das Thema Polymere wird oft nur im Chemieunterricht behandelt. Das Establish-Project bietet einige praktische Tätigkeiten zur Erkundung dieser Materialien und ihrer medizinischen Anwendungen an.

Polymere werden in
Alltagsprodukten wie
Wegwerfwindeln benutzt
Mit freundlicher Genehmigung
von SCA Svenska Cellulosa
Aktiebolaget; Bildquelle: Flickr

olymere begegnen uns täglich als Plastikartikel, Überzüge und Papier und in Produkten wie Windeln und Shampoos. Sie bestehen aus großen Molekülen, die aus sich wiederholenden Struktureinheiten aufgebaut sind.

Die folgenden Aktivitäten wurden entwickelt, um den Schülern dabei zu helfen, durch praktische Anwendung eine Brücke zwischen der makroskopischen, sichtbaren Welt der Materie und der für uns unsichtbaren submikroskopischen Welt (Atome und Moleküle) herzustellen. Mittels Nachfrage-orientiertem Lernen werden die Schüler ermutigt, anhand Beobachtung der praktischen Tätigkeiten eigene Ideen zu entwickeln und sie in neuen Zusammenhängen zu testen.

Ein Patient bei der Dialyse
Mit freundlicher Genehmigung
von quecojones; Bildquelle:
Flickr

Bei der ersten Aktivität erforschen die 13-15 Jahre alten Schüler die Diffusion von Flüssigkeiten durch verschiedene Polymermembran-Typen (Arbeitsblatt 1). Dann widmen sie sich Membranen in der Medizin: wie die menschliche Niere funktioniert und wie ihre Funktionen von einer Dialysemaschine übernommen werden können (Arbeitsblatt 2). Vor allem soll verstanden werden, warum manche Moleküle während der Dialyse aus dem Blut entfernt werden und andere nicht. Die Schüler sollten auch vorhersagen, was passieren würde, wenn die Dialyseflüssigkeit aus Wasser bestehen würde. Das würde ihr Verständnis von Osmose fördern.

Während der zweiten Aktivität stellen 15-17-jährige Schüler Polyvinylchlorid (PVC)-Membranen her und untersuchen ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften. Dann fertigen sie eine antibakterielle PVC-Membran an und testen sie (Arbeitsblatt 3). Als Erweiterung dieser Aktivität können die Schüler Membranen mit verschiedenen Weichmachern untersuchen oder die antibakterielle Wirkstärke von Membranen mit verschiedenen Metallen oder unterschiedlichen Mengen an Metallen bestimmen.

Alle drei Arbeitsblätter können als Word- oder PDF-Datei von der Science in School-Webseite heruntergeladen werdenw8.

Membranen mit unsichtbaren Löchern

Bei dieser Aktivität werden die Schüler gebeten, über die unsichtbare Welt der Atome und Moleküle nachzudenken und werden, durch ihr Verständnis dieser Aktivität, eine Vorstellung von der Teilchennatur der Materie entwickeln. Diese Aktivitäten können sowohl zeigen, dass Moleküle existieren als auch, dass sie definierte Größen haben. Die Schüler untersuchen die Diffusion von Partikeln durch verschiedene Membrantypen und übertragen dann das Gelernte auf die Niere und auf Dialysew1.

Mit freundlicher Genehmigung
von Peter Asquith; Bildquelle:
Flickr

Die Schüler kennen wahrscheinlich aus Erfahrung Siebe zur Trennung von Mischungen und die Notwendigkeit eines Siebes mit angemessen großen Löchern. Der Lehrer kann am Beispiel Lebensmittelverpackung Kunststoffmembranen einführen. Danach können die Schüler die unten beschriebene Untersuchung mit unterschiedlichen Membranen durchführen. Der Lehrer sollte dazu anregen, Erklärungen für die Ergebnisse zu diskutieren. Bei Bedarf kann der Vorstellung auf die Sprünge geholfen werden, dass es unterschiedlich große Partikel und Membranen unterschiedlicher Porengröße gibt.

Die Idee dahinter ist, mittels einer Reihe von Folien/Membranen wie billige Einkaufstüten, Lebensmittelverpackungen oder Einkaufstüten, die Wanderung von Iod-Partikeln durch verschiedene Membranen zu untersuchen. Die Schüler sollten mehrere Experimente, wie in Tabelle 1 vorgeschlagen, vorbereiten.

Röhrchennummer

Membran

Tabelle 1: Mögliche Membranen zur Untersuchung von “Löchern”
1 Keine Membran
2 Marmeladenglasdeckel
3 Plastiktüte oder Frischhaltefolie
4 Latexhandschuh

Die Schüler sollten Folgendes lernen:

  • Aus Beobachtungen Schlüsse zu ziehen;
  • sie sollten das Phänomen durch die Existenz unsichtbarer Löcher und die Bewegung von Partikeln erklären können;
  • und alternative Erklärungen mit Mitschülern diskutieren.

Schülerarbeitsblatt 1: Membranen mit unsichtbaren Löchern

Materialien

Iod-Lösung (etwa 0,05 M)
Stärke-Lösung (etwa 0,12% w/v)
eine Auswahl verschiedener Plastikfolien

Durchführung

Untersuche die Wanderung von Iod-Partikeln durch verschiedene Membranen. Stelle aus jeder Membran eine kleine Tüte her und lege sie in ein Röhrchen mit Stärkelösung, siehe Abbildung 1. Gieße etwas Iod-Lösung in jede Tüte und beobachte, was passiert.

Abbildung 1: Experimentelles Vorgehen
Mit freundlicher Genehmigung von Establish project
  1. Notiere Deine Beobachtungen in Tabelle 2.
Tabelle 2: Ergebnisse Deines Experiments
    1 2 3 4
Farbe zu Beginn in der kleinen Tüte        
im Röhrchen        
Farbe am Ende in der kleinen Tüte        
im Röhrchen        
  1. Kannst Du erklären, was passiert?
  2. Kannst Du jedes Röhrchen (1-4) einem in den Diagrammen (A-D) in Abbildung 2 zuordnen?
Abbildung 2: Welche Darstellung entspricht jeweils welchem Teströhrchen?
Mit freundlicher Genehmigung von Establish project
  1. Was würde in den Röhrchen passieren, wenn die Lösungen anders herum verteilt wären: wenn zu Beginn die Lösung mit den kleineren Molekülen im Röhrchen wäre und die Lösung mit den größeren Molekülen in der Membran (Abbildung 3)? Trage Deine Vorhersagen in Tabelle 3 ein.
Abbildung 3: Was würde passieren, wenn die Lösungen getauscht würden?
Mit freundlicher Genehmigung von Establish project

 

Tabelle 3: Deine Erwartungen bei vertauschen der Lösungen
    1 2 3 4

Farbe zu Beginn

in der kleinen Tüte

        

im Röhrchen

        

Farbe am Ende

in der kleinen Tüte

        

im Röhrchen

        

 


 

Schülerarbeitsblatt 2: Niere und Dialyse

Die menschliche Niere ist ein erstaunliches Organ mit zwei wesentlichen Funktionen: Aufrechterhaltung des Wasserhaushalts im Körper und die Ausscheidung von Harnstoff, Salzen und Wasser. Die Niere filtert täglich 180 Liter Flüssigkeit – wovon die meiste rückresorbiert wird, zusammen mit all den Nährstoffen, die der Körper ständig braucht, wie Glucose und Aminosäuren. Aus den 180 Litern Primärharn konzentrieren die Nieren etwa 2 Liter Harn mit Abfallprodukten wie Harnstoff, einem für den Körper toxischen Stoff. Der Harn wird dann bis zur Ausscheidung in der Blase gespeichert.

Die Arbeitsweise der Niere. Klicke auf das Bild, um es zu vergrößern. Besonders groß wird es durch Anklicken hier.

a) Gesamtansicht der Niere. Filtriert wird durch drei Millionen Nephrons, in denen das Blut unter Druck in den Kapillaren ankommt. Mit freundlicher Genehmigung von Piotr Michał Jaworski; Bildquelle: Wikimedia Commons

b) Genauer Aufbau eines Nephrons. Kleine Moleküle und Wasser werden aus dem Blut durch Poren in der Wand der Bowman’schen Kapsel filtriert. In nachgeschalteten Teilen des Nephrons werden vom Körper benötigte Moleküle rückresorbiert
Mit freundlicher Genehmigung von http://osmoregulation-apbio3.wikispaces.com

  1. Warum sind wohl normalerweise keine Plasmaproteine im Urin, obwohl sie im Blutplasma gelöst sind?
  2. Blutzellen erscheinen im Urin nach Verletzungen oder bei Krankheiten. Was könnte die Ursache sein?

Bei Nierenversagen stirbt ein Mensch nach vier Tagen, weil Harnstoff akkumuliert und der Wasserhaushalt außer Kontrolle gerät. Das Leben eines Menschen kann mit Hilfe einer Dialyse gerettet werden; dazu muss er normalerweise dreimal die Woche in’s Krankenhaus. Während der Dialyse, die sechs bis acht Stunden dauert, wird das Blut des Patienten über einen Schlauch entnommen und fließt in einer Maschine, über einen Filter, die Dialysemembran. Auf der anderen Seite der Membran fließt eine spezielle Dialyseflüssigkeit. Die Zusammensetzung dieser Flüssigkeit bewirkt, dass Harnstoff die Membran passiert, aus dem Blut in die Dialyseflüssigkeit. Glucose und Aminosäuren aber gehen nicht durch die Membran. Blut — ohne Harnstoff — wird dann dem Körper zurückgegeben.

  1. Warum werden Blutzellen und Plasmaproteine während der Dialyse nicht aus dem Blut entfernt?
  2. Harnstoff, Glucose und Aminosäuren sind Moleküle ähnlicher Größe. Warum passiert Harnstoff die Membran, nicht aber Glucose und Aminosäuren?
  3. Was würde mit Wasser als Dialyseflüssigkeit passieren?
  4. Wie könnte man mittels Dialyse überschüssiges Salz entfernen?

 

Silber-imprägnierte
PVC-Folien mit
unterschiedlich großen
Hemmhöfen je nach
Silbergehalt (Ag)
Mit freundlicher Genehmigung
von James Chapman, Dublin
City University

Antibakterielles PVC

Während dieser Aktivität stellen Schüler PVC-Membranen her und untersuchen die Wirkung eines Weichmachers auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Membran (diese Membranen könne auch in der ersten Aktivität eingesetzt werden). Dann stellen die Schüler eine eine PVC-Membran her, die Silberpartikel enthält und testen auf ihre antibakteriellen Eigenschaften durch Über-Nacht-Inkubation.

In einer fortgeschritteneren Untersuchung könnten die Schüler ein besseres Verständnis der antimikrobiellen Eigenschaft der Membran bekommen, indem sie unterschiedliche Silberkonzentrationen für die Membranen einsetzen und die Größe der Hemmhöfe je nach Silberkonzentration beobachten. Typische Beispiele sind rechts zu sehen.

Nicht-pathogene Escherichia coli können von der American Tissue Culture Collection (ATCC)w2 bezogen werden. BAA 1427 beispielsweise ist ein nicht-pathogener Ersatzstamm, der für dieses Experiment geeignet ist.

 

Schülerarbeitsblatt 3: Synthese und Untersuchung von antibakteriellem PVC

Das Polymer Polyvinylchlorid (PVC) ist ein billiger und haltbarer Kunststoff, der für Röhren, Zeichen und Kleidung verwendet wird. Um es flexibler zu machen und um es leichter zu verarbeiten, werden oft Weichmacher zugesetzt. In dieser Aktivität wirst Du eine PVC-Membran herstellen, einmal mit und einmal ohne Weichmacher und dann wirst Du die physikalischen und chemischen Eigenschaften vergleichen.

Antimikrobielle Membranen werden in vielen medizinischen Technologien benutzt. Bei ihrer Produktion werden Nano- oder Mikropartikel aus Silber oder anderen Metallen in die Polymere eingebaut. In Gegenwart von Sauerstoff (aus der Luft) und Wasser reagieren elementare Silberpartikel zu Silberionen (Ag2+), die in manchen Bakterien, Viren, Algen und Pilzen die Zellmembranen aufbrechen, die Zellteilung hemmen und den Stoffwechsel stören könnenw3, w4.

Materialien

  • Lösungsmittel: Oxolan (Tetrahydrofuran, (CH2)4O)
  • PVC-Puder
  • Decandisäuredibutylester oder ein anderer Weichmacher
  • Silbernitrat (AgNO3)
  • Trinatriumcitrat (Na3C6H5O7)
  • Nähragar
  • Bakterienkultur (z. B. E. coli in einer Nährlösung)
  • eine Kochplatte
  • ein Magnetrührer
  • 75-ml-Bechergläser
  • eine Glasunterlage (z.B. Becherglas, Uhrenglas oder Glasplättchen)
  • ein graduierter Zylinder
  • eine Pasteur-Pipette
  • ein Spatel
  • Petrischalen
  • Impfösen

Vorgehensweise

Sicherheitshinweis: Alle Schritte sollten unter dem Abzug ausgeführt werden. Tetrahydrofuran ist eine leicht entzündliche Flüssigkeit und das Gas kann ernsthafte Augenreizungen verursachen. Gehe vorsichtig damit um nur unter dem Abzug und trage Handschuhe beim Umgang damit.

1) PVC ohne Weichmacher herstellen.

  1. Erwärme 20 ml Lösung auf der Heizplatte mit einem Magnetrührer.
  2. Gib langsam 1,5g PVC-Puder unter Rühren dazu.
  3. Nach etwa 10 Minuten sollte die Lösung visköser werden. Entferne das Becherglas von der Heizplatte.http://www.scienceinschool.org/node/2810#overlay=node/2810/edit
  4. Entferne den Magnetrührer und bringe oder gieße einige Milliliter der PVC-Lösung in einer dünnen Schicht so gleichmäßig wie möglich auf die Glasunterlage (innerhalb oder außerhalb des Becherglases oder auf dem Glasplättchen oder dem Uhrenglas). Drehe die Glasunterlage vorsichtig noch während die Lösung heiß ist, um eine dünne Schicht zu erzielen.
  5. Lasse die Unterlage und das PVC unter dem Abzug, damit das Lösungsmittel abdampfen kann; das dauert etwa 15 Minuten. Die PVC-Membran kann dann leicht von der Glasunterlage entfernt werden.

2) PVC-Herstellung mit einem Weichmacher

Wiederhole die obigen Schritte, um vier weitere PVC-Membranen zu erstellen, von denen jede eine andere Menge an Weichmacher im erhitzten Lösungsmittel enthält (siehe Tabelle 4).

Probe Nr.

PVC (g)

Lösungsmittel (ml)

Decandisäuredibutylester (ml)
Tabelle 4: Herstellung von PVC-Membranen mit unterschiedlichem Weichmachergehalt
1 1.5 20 0.5
2 1.5 20 1
3 1.5 20 2
4 1.5 20 3
  1. Vergleiche Deine fünf PVC-Membranproben. Welchen Effekt hat der Weichmacher auf den Kunststoff?
  2. Was glaubst Du, passiert, wenn mehr Weichmacher zum Kunststoff gegeben wird?
  3. War Deine Antwort auf Frage 2 korrekt, wenn Du die rastermikroskopischen Bilder (REM) einbeziehst?
  4. Diese Membranen können in der vorherigen Aktivität (“Membranen mit unsichtbaren Löchern”) benutzt werden, um die relative Größer der „Löcher“ zu untersuchen.
REM-Bilder von PVC: a) ohne Weichmacher, b) mit 0,5ml Weichmacher und c) mit 2ml Weichmacher. Zum Vergrößern auf das Bild klicken
Mit freundlicher Genehmigung von the Establish project

3) Herstellung von antibakteriellem PVC

Um PVC mit Silberpartikeln zu bestücken, ist eine Membran mit großen Löchern nötig, weshalb wir einen Weichmacher einsetzen. Das Silber wird als Silbernitrat zugegeben, das mit Natriumcitrat reduziert wird.

Silber-Mikro-und
Nanopartikel in einer
PVC-Membran. Zum
Vergrößern auf das Bild
klicken
Mit freundlicher Genehmigung
von the Establish project
  1. Erwärme 20 ml Lösung auf der Heizplatte mit einem Magnetrührer.
  2. Gib 2,5 ml Weichmacher und dann langsam 1,5 g PVC-Puder zu.
  3. Gib 2,5,ml 10mM Silbernitrat zu und rühre 1-2 Minuten.
  4. Teile die Lösung auf zwei 75-ml-Bechergläser auf. Rotiere jedes Becherglas schnell, um die Innenseite mit Lösung zu bedecken, so dass sich eine Membran in Form des Becherglases bildet. Stelle sicher, dass die Membran keine Löcher hat, denn sie muss Wasser zurückhalten können.
  5. Lasse die Bechergläser unter dem Abzug stehen bis das Lösungsmittel abgedampft ist, entferne dann vorsichtig die Membranen. (Das ist ziemlich schwierig; wenn Du zwei Membranen machst, erhöhst Du die Erfolgschance.)
  6. Stelle eine 5 mM Lösung von Natriumcitrat her und gieße sie vorsichtig in eine der Membranen mit Becherglasform. Sie sollte durch die Membran fließen (halte sie über ein Becherglas) und dabei mit dem Silbernitrat reagieren, so dass Silber- Nano- oder Mikropartikel entstehen.
  7. Notiere die Farbänderung der Membran.
  8. Lasse die Membran unter dem Abzug trocknen. Typische REM-Bilder (rechts) zeigen elementares Silber wie es in einer PVC-Mmbran verteilt ist.

Als Nächstes kannst Du die antibakteriellen Eigenschaften der präparierten Membranen prüfen.

  1. Präpariere eine Agar-Platte mit einer Bakterienkolonie: bringe etwa 100 µl Deiner Bakterienkultur (z.B. . E. coli in Nährlösung) auf die Petrischale mit Nähragar und verteile sie mit einer Impföse gleichmäßig über die Platte.
  2. Lege etwa 1 cm2 Deiner Silber-imprägnierten PVC-Membran auf die Platte.
  3. Lege alternativ drei Stücke PVC-Membran, von denen eines nicht mit Silber behandelt ist, auf die Platte. So bekommst Du einen Vergleich.
  4. Inkubiere die Platte über Nacht bei 37 °C und miss dann die Hemmzone um jedes Membranstück.

Sicherheitshinweis: Bei allen mikrobiologischen Arbeiten sollten immer sterile Gerätschaften benutzt werden (entweder sterilisiert in einem Autoklaven oder Dampfkochtopf oder in Ethanol getaucht und abgeflammt). Das betrifft auch die Scheren, die Du zum Schneiden der Membran benutzt. Um Kreuz-Kontaminierungen zu vermeiden, müssen die Impfösen vor ihrer Verwendung mit antibakterieller Waschlösung gewaschen werden.

Wegen der antibakteriellen Eigenschaften dieser Membranen eignen sie sich für die Behandlung von Wunden und Verbrennungen sowie Infektionen mit Bakterien wie Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) und E. coli.

  1. Warum sind antibakterielle PVC-Membranen für die Behandlung von MRSA-Infektionen besonders nützlich?
  2. Welche weiteren Anwendungen antibakterieller PVC-Membranen findest Du heraus?

Das Establish-Projekt

Diese Aktivitäten sind Teil der Unterrichtseinheiten, die vom Establish-Projekt, einem von der EU geförderten Projekt, entwickelt wurden, um die Verbreitung von Nachfrage-orientiertem Lernen für Schüler der Sekundarstufe (Alter 12–18 Jahre) zu fördern. Eine Gruppe von mehr als 60 Partnern aus 11 europäischen Ländern arbeitet zusammen, um gemeinsam Unterrichtseinheiten für den Einsatz im Unterricht in ganz Europa zu entwickeln und anzupassen

Die Aktivitäten in diesem Artikel entstammen aus der Unterrichtseinheit mit dem Titel „Erforschen von Löchern“. Sobald die Einheiten in Druck gegeben sind, stehen sie auch zum Hören und für Behinderte bereit. Weitere Einheiten sind in Planung für Kosmetika, Chitosan, Forensik, Photochemie, erneuerbare Energien und medizinische Bildgebung. Mehr erfährt man auf der Establish- Webseite, von wo auch die fertigen Unterrichtseinheiten heruntergeladen werden könnenw5.

Nanopartikel in der Medizin

Nanopartikel spielen eine sehr wichtige Rolle in neuen Anwendungen des Gesundheitswesens. Das Verständnis der Auswirkung von Nanopartikeln auf Zellen und Gewebe ist ausschlaggebend für Sicherheit, verlässliche Diagnose und Therapie von Krankheiten. Viele in der Medizin benutzten Nanopartikel basieren auf Metallen. Röntgentechniken am European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)w6 eignen sich, um beispielsweise die Interaktion eines einzelnen Nanopartikels mit einer kryokonservierten Zelle auf Nanoebene zu überwachen (Lewis et al., 2010).

ESRF ist Mitglied von EIROforumw7, dem Herausgeber von Science in School.


 

Danksagungen

Die in diesem Artikel beschriebenen Aktivitäten basieren auf Informationen aus Wilms et al. (2004; Arbeitsblatt 1), von Alison Graham von der Dublin City University, Republik Irland (Arbeitsblatt 2), und von Laura Barron und James Chapman von der Dublin City University (Arbeitsblatt 3).

References

  • Lewis DJ et al. (2010) Intracellular synchrotron nanoimaging and DNA damage / genotoxicity screening of novel lanthanide-coated nanovectors. Nanomedicine 5(10): 1547-1557. doi: 10.2217/nnm.10.96
  • Wilms M et al. (2004) Molekulares Sieben: Mit Einmachfolie ins Diskontinuum. Chemkon 11(3):127-130. doi: 10.1002/ckon.200410011

Web References

  • w1 – Das Merlot-Health-Sciences-Portal zeigt eine hilfreiche Animation der Dialyse, unter: http://healthsciences.merlot.org/images/18loop.gif
  • w2 – ATCC ist ein weltweites Nonprofit-Bioressourcenzentrum und Forschungsorganisation, welches biologische Produkte, technische Hilfen und Unterrichtsprogramme anbietet, unter: www.atcc.org
  • w3 – Silber-Nanopartikel könnten nützliche Bakterien bei der Abwasserbehandlung abtöten. Science Daily. www.sciencedaily.com oder der direkte Link: http://tinyurl.com/4mq4pv
  • w4 – Oberflächenmodifizierung von Silber-Nanopartikeln und ihre Interaktionen mit lebenden Zellen. Nano Werk. www.nanowerk.com or use the direct link: http://tinyurl.com/68fojm9
  • w5 – Mehr über das Establish-Projekt und den Download der fertigen Einheiten findet man unter (wird noch ergänzt): http://establish-fp7.eu
  • w6 – Ein internationales Forschngszentrum in Grenoble, ESRF, produziert hochbrilliante Röntgenstrahlen, die Tausenden von Forschern aus der ganzen Welt helfen. Siehe unter: www.esrf.eu
  • w7 – Mehr über EIROforum findet man unter: www.eiroforum.org
  • w8 – Die Arbeitsblätter für diese Aktivität können im Word- oder PDF-Format von hier heruntergeladen werden:

Review

Haben Sie sich jemals überlegt, wie eine Dialysemembran arbeitet? Kann man mit Plastik unerwünschte Stoffe aus Ihrem Körper herausfiltern? Was hat es mit antbakteriellem Kunststoff auf sich? Dieser Artikel führt die Rolle der Polymere in Dialysemaschinen zur Blutwäsche und für die Wundbehandlung ein.

Die in diesem Artikel für jüngere Schüler beschriebenen Experimente werden ihnen helfen, die Polymerwissenschaft zu verstehen und wie Polymere bei der Dialyse eingesetzt werden. Während der Aktivität für ältere Schüler macht die Klasse ihre eigenes PVC – eines der heute am weitesten verbreiteten Polymere– und untersucht seine antibakteriellen Eigenschaften.

Die Aktivitäten eignen sich sowohl für Chemie- als auch für Biologieunterricht mit den Inhalten Polymerisation, Osmose, Diffusion und Ausscheidung. Eine Diskussion über umfassendere Nutzung von Polymeren könnte folgen, über selektiv permeable Membranen oder über Ausscheidung.

Andrew Galea, Giovanni Curmi Post-Secondary School Naxxar, Malta

License

CC-BY-NC-SA