Complex tracer mobilities in polymer networks revealed by fluorescence correlation spectroscopy

Gels are elastic porous polymer networks that are accompanied by pronounced mechanical properties. Due to their biocompatibility, ‘responsive hydrogels’ (HG) have many biomedical applications ranging from biosensors and drug delivery to tissue engineering. They respond to external stimuli such as temperature and salt by changing their dimensions. Of paramount importance is the ability to engineer penetrability and diffusion of interacting molecules in the crowded HG environment, as this would enable one to optimize a specific functionality. Even though the conditions under which biomedical devices operate are rather complex, a bottom-up approach could reduce the complexity of mutually coupled parameters influencing tracer mobility. The present thesis focuses on the interaction-induced tracer diffusion in polymer solutions and their homologous gels, probed by means of Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). This is a single-molecule-sensitive technique having the advantage of optimal performance under ultralow tracer concentrations, typically employed in biosensors. Two different types of hydrogels have been investigated, a conventional one with broad polydispersity in the distance between crosslink points and a so-called ‘ideal’, with uniform mesh size distribution. The former is based on a thermoresponsive polymer, exhibiting phase separation in water at temperatures close to the human body temperature. The latter represents an optimal platform to study tracer diffusion. Mobilities of different tracers have been investigated in each network, varying in size, geometry and in terms of tracer-polymer attractive strength, as perturbed by different stimuli. The thesis constitutes a systematic effort towards elucidating the role of the strength and nature of different tracer-polymer interactions, on tracer mobilities; it outlines that interactions can still be very important even in the simplified case of dilute polymer solutions; it also demonstrates that the presence of permanent crosslinks exerts distinct tracer slowdown, depending on the tracer type and the nature of the tracer-polymer interactions, expressed differently by each tracer with regard to the selected stimulus. In aqueous polymer solutions, the tracer slowdown is found to be system-dependent and no universal trend seems to hold, in contrast to predictions from scaling theory for non-interacting nanoparticle mobility and empirical relations concerning the mesh size in polymer solutions. Complex tracer dynamics in polymer networks may be distinctly expressed by FCS, depending on the specific synergy among-at least some of - the following parameters: nature of interactions, external stimuli employed, tracer size and type, crosslink density and swelling ratio.

Gele sind elastische, poröse Polymernetzwerke, die besondere mechanische Eigenschaften haben. Aufgrund ihrer Biokompatibilität, haben "Hydrogele" (HG) viele biomedizinische Anwendungen im Bereich von Biosensoren und Wirkstoffabgabe bis hin zur Gewebezüchtung. Darüber hinaus reagieren sie auf externe Stimuli, wie Temperatur und Salz, durch Veränderung ihrer Abmessungen. Von größter Wichtigkeit ist die Möglichkeit, Durchlässigkeit und Diffusion von wechselwirkenden Molekülen in der überfüllten HG Umgebung zu erzeugen, da dies ermöglicht, die Design-Parameter biosensorbezogener Anwendungen zu optimieren. Die Bedingungen, unter denen biomedizinische Geräte arbeiten, sind zwar sehr komplex, aber ein Bottom-up-Ansatz könnte den Zusammenhang der miteinander gekoppelten Parameter, die die Tracer Mobilität beeinflussen, sowie die Grundlagen der Tracer-Polymer-Wechselwirkungen erklären. Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkungsinduzierte Diffusion von Tracern in Polymerlösungen und derer homologen Gele, sondiert mittels Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS). Dies ist eine Einzel-Molekül-sensitive Methode, die den Vorteil hat, bei ultraminimalen Tracerkonzentrationen, die typischerweise bei Biosensoren vorliegen, optimale Ergebnisse zu erzielen.Zwei verschiedene Typen von Hydrogelen wurden untersucht, eine herkömmliche mit breiter Polydispersität der Abstände zwischen den Vernetzungsstellen und ein sogenanntes "ideales" Gel, mit gleichmäßiger Verteilung der Maschenweiten. Die erstgenannte Art von Gel ist auf einem thermoresponsiven Polymer basiert, das eine Phasentrennung in Wasser bei Temperaturen nahe der Temperatur des menschlichen Körpers aufweist, die ihre häufige Verwendung als Baustoff für Biosensorplattformen rechtfertigt. Die zweite Art ist ein ideal vernetztes Polymernetzwerk, das man als Modelsystem für Untersuchung von Tracer Diffusion verwenden könnte. Die Beweglichkeit von verschiedenen Tracern wurden in beiden Netzwerktypen untersucht, die sich in Größe, Geometrie und in der anziehenden Kraft der Tracer-Polymere voneinander unterscheiden und die auch durch äußere Einflüsse variiert werden. Die Arbeit zeigt die Bedeutung der FCS im Studium komplexer Mobilität in Polymernetzwerken. Sie untersucht systematisch die Stärke und Beschaffenheit der verschiedenen Tracer-Polymer-Wechselwirkungen; sie beschreibt auch, dass die oben genannten Wechselwirkungen auch in dem vereinfachten Fall von verdünnten Polymerlösungen sehr wichtig sein können. In der Arbeit wird auch gezeigt, dass permanente Vernetzungspunkte unterschiedliche Verlangsamungen der Tracer Diffusion verursachen. Die Verlangsamungen hängen vom Tracer-Typ und der Art der Tracer-Polymer-Wechselwirkungen ab, die von jeder Größe in Abhängigkeit vom Stimulus anders beeinflusst wird. Die Verlangsamung von der Tracer Mobilität in wässrigen Polymerlösungen war systemabhängig. Kein einziger universeller Trend scheint zu existieren, was den Vorhersagen, die man mittels der Skalentheorie von der Mobilität von nicht-wechselwirkenden Nanopartikeln und zur empirischen Beziehungen bezüglich der Maschengröße von Polymerlösungen machen würde, widerspricht. Komplexe Tracer Dynamiken in Polymernetzwerken können sehr gut mittels der FCS beobachtet werden. Dies hängt von der spezifischen Synergien zwischen zumindest einigen der folgenden Parameter ab: Art der Wechselwirkungen, äußere eingesetzte Reize, Art und Größe der Tracer, Vernetzungsdichte und Schwellungsverhältnis.