Ein Gefrierschutzmittel soll verhindern, dass sich beim Einfrieren von Proben Eiskristalle bilden. Die wachsenden Kristalle können die empfindlichen Membranen von Zellen und Zellbestandteilen beschädigen und deren Integrität auflösen. Einen guten Gefrierschutz bieten manche Lösungsmittel oder Polymere. Sie halten die Eiskristallbildung im Zaum, indem sie Wassermoleküle binden und deren geordnete Zusammenlagerung bei der Eisbildung stören.

Die Synthesechemie hat jedoch noch mehr Möglichkeiten an der Hand, um viel gezielter und damit effektiver in die Eiskristallbildung einzugreifen. Metallorganische Gerüste (MOFs, von englisch metal–organic frameworks) sind kristalline dreidimensionale Netzwerke aus Metallionen, die durch organische Liganden verknüpft sind. Da diese Liganden so maßgeschneidert werden können, dass sie kleine Moleküle binden, lässt sich deren Wechselwirkung mit Wassermolekülen überaus genau einstellen, genauer als bei ungeordneten Polymeren.

Wei Zhu von der South China University of Technology in Guangzhou (China) und Kollegen haben nun festgestellt, dass MOFs auf Basis von Hafnium und organischen Liganden umso besser Wassermoleküle binden, je dünner sie sind und desto mehr Liganden dafür frei sind. Das Team entwickelte daher eine Methode, um die dreidimensionalen metallorganischen Gerüste kontrolliert abzubauen, bis nur noch zweidimensionale dünne Schichten übrigblieben.

Um die Eignung der Hafnium-MOLs (wobei MOL für metal–organic layers, also metallorganische Schichten steht) als Gefrierschutz zu testen, froren die Forschenden Erythrozyten ein. Erythrozyten – rote Blutkörperchen – müssen in der Medizin im großen Maßstab aufbewahrt werden und reagieren sehr empfindlich auf Eiskristallbildung. Im Vergleich mit Hydroxyethylstärke (HES), die üblicherweise zu diesem Zweck genutzt wird, zeigten die Hafnium-MOLs einen hervorragenden Gefrierschutz bereits bei einer minimalen Konzentration von unter 0,1 Prozent. HES-Lösungen sind dagegen mit 30 Prozent hochkonzentriert.

Ihre besondere Wirksamkeit erhielten die Hafnium-MOLs dabei aus dem unregelmäßigen zweidimensionalen Ligandenmuster in den Schichten, das die Bildung der regelmäßigen Eiskristallkeime verhindern kann, erklärte das Team. Die Wissenschaftler*innen empfehlen daher diese Dimensionsreduktion von MOFs als interessante neue Möglichkeit, um außerordentlich effektive neuartige Gefrierschutzmittel zu gewinnen.


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Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (04/2023)


Publikation:
https://doi.org/10.1002/ange.202217374