Monitoring kinetic processes in polymeric colloids by fluorescence correlation spectroscopy

Polymerbasierte Kolloide mit Groen im Nanometerbereich werden als aussichts- reiche Kandidaten fur die Verkapselung und den Transport von pharmazeutischen Wirkstoen angesehen. Daher ist es wichtig die physikalischen Prozesse, die die Bil- dung, Struktur und kinetische Stabilitat der polymerbasierten Kolloide beein ussen, besser zu verstehen. Allerdings ist die Untersuchung dieser Prozesse fur nanome- tergroe Objekte kompliziert und erfordert fortgeschrittene Techniken. In dieser Arbeit beschreibe ich Untersuchungen, bei denen Zwei-Farben-Fluoreszenzkreuz- korrelationsspektroskopie (DC FCCS) genutzt wurde, um Informationen uber die Wechselwirkung und den Austausch von dispergierten, nanometergroen Kolloiden zu bekommen. Zunachst habe ich den Prozess der Polymernanopartikelherstellung aus Emul- sionstropfen untersucht, welcher einen der am haugsten angewendeten Prozesse der Nanopartikelformulierung darstellt. Ich konnte zeigen, dass mit DC FCCS eindeutig und direkt Koaleszenz zwischen Emulsionstropfen gemessen werden kann. Dies ist von Interesse, da Koaleszenz als Hauptgrund fur die breite Groenverteilung der nalen Nanopartikel angesehen wird. Weiterhin habe ich den Austausch von Mizellen bildenden Molekulen zwischen amphiphilen Diblock Kopolymermizellen untersucht. Als Modellsystem diente ein Linear-Burste Block Kopolymer, welches Mizellen mit einer dichten und kurzen Korona bildet. Mit Hilfe von DC FCCS konnte der Austausch in verschiedenen Losungsmitteln und bei verschiedenen Temperaturen beobachtet werden. Ich habe herausgefunden, dass in Abhangigkeit der Qualitat des Losungsmittels die Zeit des Austausches um Groenordnungen verschoben werden kann, was eine weitreichende Einstellung der Austauschkinetik ermoglicht. Eine Eigenschaft die all diese Kolloide gemeinsam haben ist ihre Polydispersitat. Im letzten Teil meiner Arbeit habe ich am Beispiel von Polymeren als Modellsystem untersucht, welchen Eekt Polydispersitat und die Art der Fluoreszenzmarkierung auf FCS Experimente haben. Eine Anpassung des klassischen FCS Modells kann die FCS Korrelationskurven dieser Systeme beschreiben. Die Richtigkeit meines Ansatzes habe ich mit dem Vergleich zur Gel-Permeations-Chromatographie und Brownschen Molekulardynamiksimulationen bestatigt.

Polymeric colloids with sizes in the nanometer range are considered among the most promising candidates for encapsulation and the delivery of drugs. Various systems ranging from solid or nanogel particles to polymeric micelles are prepared and their properties optimized with respect to drug loading capacity, stability, long circulation times, targeted delivery and controlled release. In this endeavor, it is important to have good knowledge about the physical processes governing the formation, the structure and the kinetic stability of the polymeric colloids. However, investigating these processes, for nanometer sized objects dispersed and constantly diusing in a continuous media is not an easy task and requires advanced experimental techniques. In this thesis I describe studies demonstrating that dual color uorescence cross- correlation spectroscopy (DC FCCS) can provide important informations about the interaction and the exchange between dispersed nanometer sized colloids. First, I considered the process of nanoparticle formation from emulsion droplets that is one of the most common approaches for nanoparticles preparation. I showed that DC FCCS allows to directly monitor the occurrence of coalescence between the emulsion droplets that is considered as one of the major reasons for the large size distribution of the obtained nanoparticles. Second, I studied the equilibrium exchange of building molecules between am- phiphilic diblock copolymer micelles. As a model system I choose a linear-brush block copolymer architecture forming micelles with a thin and bulky corona. Using DC FCCS I studied the exchange in dierent solvents and at various temperatures. Depending on the quality of solvent the exchange time can be shifted by orders of magnitude allowing extensive tuning of the molecular exchange. A property which all these polymeric colloids have in common is their polydis- persity. In the last part of my work, I explored the eect of polydispersity and uorescent labeling in FCS experiments using polymers as model systems. I found that a suitable modication of the standard analytical FCS model can be used to describe the FCS correlation curves measured in such systems. The validity of my approach was conrmed by comparison with gel permeation chromatography exper- iments and Brownian dynamics simulations.