Organized Nanostructures of Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) Block Copolymers Obtained Through Controlled RAFT Polymerization

Kontrolloidut radikaalipolymerointimenetelmät, kuten RAFT-polymerointi, ovat moderni tapa valmistaa polymeerejä säädellysti. RAFT-polymeroinnilla polymeerien ketjunpituutta, moolimassajakaumaa, mikrorakennetta (taktisuus, järjestys), koostumusta ja funktionaalisuutta kyetään hallitsemaan. Siten menetelmällä voidaan valmistaa uudenlaisia polymeeriarkkitektuureja, kuten blokki- ja tähtipolymeerejä, sekä hybridimateriaaleja ja biokonjugaatteja. Polymeeristen rakennuspalikoiden itsejärjestyminen, missä huolellisesti syntetisoidut polymeerit järjestyvät halutulla tavalla nanoskaalassa, on suosittu tutkimuskohde materiaalitieteessä. On huomattava, että blokkipolymeerien itsejärjestyminen on vielä suhteellisen nuori tutkimusaihe. Tämän hetkiset polymeeriset nanomateriaalit ovat suhteellisen yksinkertaisia luonnon luomuksiin verrattuina, tarjoten jatkuvasti uusia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven polymeereille. Tässä työssä RAFT-polymeroinnilla syntetisoitiin amfifiilisiä di- ja triblokkikopolymeerejä sekä tutkittiin niiden järjestymistä nanorakenteiksi. Kaikissa blokkikopolymeereissä käytettiin lämpöherkkää poly(N-isopropyyliakryyliamidia). Siten polymeerit ja tutkitut materiaalit reagoivat lämpötilanmuutokseen ympäristössä eli ovat ns. ympäristöherkkiä. Työssä tutkittiin taktisuuden kontrollointia N-isopropyyliakryyliamidin RAFT-polymeroinnissa. Polymeerin taktisuutta sekä ketjunpituutta ja blokkijärjestystä säätämällä voitiin hallita polymeerin itsejärjestymistä vesiliuoksessa. Amfifiiliset polymeerit järjestyivät laimeissa vesiliuoksissa erilaisiksi misellirakenteiksi, muodostaen ns. mikrosäiliöitä. Tällaisilla polymeereillä odotetaan olevan sovelluksia esim. lääkeainevapautuksessa. Amfifiilejä käytetään myös esimerkiksi apuaineina pinnoitteissa ja kosmetiikassa. Kiinteässä tilassa tutkitut triblokkikopolymeerit muodostivat teoreettisesti ennustettuja morfologioita. Lämpöherkän materiaalin hydrogeelit toimivat suodatinmembraanina nanokokoluokassa. RAFT-polymeroinnilla syntetisoituja polymeereja voidaan sellaisenaan käyttää kultananopartikkeleiden päällystämiseen. Kultananopartikkelit ovat erittäin kiinostavia mm. niiden stabiilisuuden ja ainutlaatuisten pintaominaisuuksien vuoksi. Kun amfifiilisiä polymeerejä kiinnitettiin kultapartikkelin pinnalle, sen liuos- ja optisia ominaisuuksia voitiin säädellä pH:n ja lämpötilan avulla. Tällaisilla kultananopartikkeleilla on sovelluksia mm. diagnostiikassa, sensoreina ja solukuvauksessa.

Controlled radical polymerization techniques, such as RAFT polymerization, are modern alternatives for preparing pre-designed polymers. In RAFT polymerization, chain length, molar mass distribution, microstructure (tacticity and sequencing), composition and functionality can be controlled. This allows the synthesis of a variety of novel polymer architectures, such as block and graft copolymers, stars, hybride materials and bioconjugates. The self-organization of synthetic preformed polymers into controllable nanostuctures is one of the most promising topics in the material science. However, the field of block copolymer self-assembly is still relatively young and current polymeric materials are structurally rather simple compared to biological materials. Thus, novel generations of polymer-based materials offer huge opportunities in material science. In this work, amphiphilic di- and triblock copolymers were synthesized by RAFT polymerization, and their organization into specific structures at nanoscale was studied. In all the block copolymer, one of the blocks was thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide). Thus, polymers and studied materials were temperature sensitive. In addition, control over tacticity in N-isopropylacrylamide polymerization was studied. The self-organization in aqueous solutions was strongly affected by the tacticity and the block sequence. Amphiphilic polymers formed various micellar structures in aqueous solutions. These micellar microcontainers have applications in controlled drug delivery. Amphiphiles have also applications as dispersants in coatings and cosmetics. In bulk, all the stable block copolymer morphologies were observed for triblock copolymers. Hydrogels of triblock copolymers can be used as thermoresponsive membrane materials. Polymers synthesized through the RAFT polymerization can be directly used in the synthesis of polymer grafted nanoparticles. Gold nanoparticles have attracted great interest due to the fact that gold is the most stable and inert noble metal possessing unique surface properties and good conductivity. It was shown that the association and optical properties of the gold nanoparticles grafted with smart polymers can be widely varied by pH and temperature. This type of gold nanoparticles have applications in diagnostics, sensors and cell imaging.