Multifunctional magnetically loaded polyorganosiloxane nanocomposites for biomedical applications

For the last few decades, the interest in functional nanomaterials is steadily increasing. Especially, in biomedicine the range of possible applications of multifunctional nanoparticles including dye-labeled makers and drug loaded carrier systems is extraordinary large. The incorporation of magnetic nanoparticles allows for an additional magnetic detection and manipulation. One promising system on the way to multifunctional nanomaterials is the polyorganosiloxane system. Via polycondensation of silan monomers in aqueous dispersion polyorganosiloxane nanoparticles with particle diameter between 10 and 150 nm can be synthesized. The versatile silane chemistry allows for the design of multifunctional network structures. In this work, hydrophilic iron oxide nanoparticles could be encapsulated into the polymeric particles in a highly efficient process whereat the superparamagnetic nature of the inorganic particles was restrained. The influence of different sized particles as well as the amount of the incorporated material was investigated. Using a core-shell architecture, controlled core and surface modifications could be achieved. An effective fluorescent labeling was performed via incorporation of dye-labeled monomers. Additionally, a hydrophilic surface modification was carried out via a grafting onto process of poly(ethylene glycol). Individual core and surface functionalization was achieved and the influence of the modification on the efficiency of the magnetic loading was tested. The applicability of the multifunctional particles in biological systems was proved via cellular uptake and toxicity testings. Furthermore, biofunctionalized particles were synthesized by EDC coupling using biotin and insulin.rnrn

Polymerisation in perfluorierter Emulsion

Die vorliegende Arbeit behandelt die Polymerisation in nicht-wässrigen Emulsionen – bestehend aus einem perfluorierten Solvens und einem Kohlenwasserstoff - unter Einsatz verschiedener Monomere, Katalysatoren und Polymeristionsmethoden zur Generierung von Polymerpartikeln verschiedenster Art. Es wurde gezeigt, dass in diesen inerten Medien zahlreiche Methoden zur Polymererzeugung unter gleichzeitiger Morphologiekontrolle eingesetzt werden können, die in konventionellen wässrigen, heterophasischen Systemen versagen.rnrnAusgangspunkt war die literaturbekannte Metallocen-katalysierte Synthese von Polyethylen (PE)- und Polypropylen (PP)-Nanopartikeln in perfluorierter Emulsion in Gegenwart hochmolekularer Blockcopolymere als Stabilisierungsagens. Mithilfe kinetischer Untersuchungen hinsichtlich der PE-Synthese wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Modell entwickelt, welches den Diffusionsweg eines gasförmigen Monomers über die verschiedenen Phasengrenzen hinweg zum aktiven katalytischen Zentrum in der dispergierten Phase beschreibt. Ferner konnte die Diffusions- und Reaktionsbestimmtheit der Reaktion in Abhängigkeit verschiedener Reaktionsparameter nachgewiesen sowie ein tieferer Einblick über den Ort der Polymerisation in den heterophasischen Systemen erhalten werden.rnrnDie so gewonnenen Erkenntnisse wurden für die erfolgreiche Synthese von Poly(ethylen-1-hexen)-Copolymeren in perfluorierter Emulsion genutzt, wobei der Comonomergehalt im resultierenden Polymer über einen breiten Bereich variiert werden konnte. Neben der Homo- und Copolymerisation von Polyolefinen wurde in der vorliegenden Arbeit weiter gezeigt, dass die heterogenen Fluide zum Aufbau komplexerer Morphologien wie Kern-Schale-Nanopartikeln genutzt werden können; so gelangte man zu Partikeln mit Kernen aus isotaktischem PP, ummantelt von „weichem“ Poly(n-butylacrylat).rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der perfluorierten Emulsionen, und so wurde bspw. der Zugang zu Polymerdispersionen aus konjugierten Materialien mit Partikeldurchmessern von 70-100 nm mittels Cyclopolymerisation eröffnet. Ferner konnten als bioverträgliche und biologisch abbaubare Materialien Partikel aus epsilon-Caprolacton in koordinativ-anionischer Polymerisation gewonnen werden. Im Zuge dessen wurden Emulgatoren entwickelt, die den Einsatz polarer Monomere in perfluorierter Emulsion erlauben.rnrnSchlussendlich konnten mittels trifunktioneller Polymere mit lipophilen und fluorophilen Gruppen sowie Lewis-basischen Ankergruppen Ag- und Cu-Partikel dergestalt oberflächenmodifiziert werden, dass ein homogenes Einbetten in eine perfluorierte Matrix möglich war, was antibakterielle perfluorierte Werkstoffe - erwiesen an E. coli - lieferte.

Photo-induced reversible assembly of colloidal polymer nanoparticles

Polymer nanoparticles functionalized on the surface with photo-responsive labels were synthesized. In a first synthetic step, polystyrene was copolymerized with the cross-linker divinylbenzene and poly(ethylene glycol) acrylate in a miniemulsion, to produce nano-sized spheres (~ 60 nm radius) with terminal hydroxyl groups, which were functionalized in a subsequent synthetic step with photo-responsive labels. For this purpose, two photo-active molecular structures were separately used: anthracene, which is well known to form covalently bonded dimers upon photo-excitation; and pyrene, which only forms short lived excited state dimers (excimers). Acid derivatives of these labels (9-anthracene carboxylic acid and 1-pyrene butyric acid) were bonded to the hydroxyl terminal groups of the nanoparticles through an esterification reaction, via the intermediate formation of the corresponding acid chloride.rnThe obtained labeled nanoparticles appeared to be highly hydrophobic structures. They formed lyophobic suspensions in water, which after analysis by dynamic light scattering (DLS) and ultramicroscopic particle tracking, appeared to equilibrate as a collection of singly dispersed nanoparticles, together with a few nanoparticle aggregates. The relative amount of aggregates decreased with increasing amounts of the surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS), thus confirming that aggregation is an equilibrated state resulting from lyophobicity. The formation of such aggregates was corroborated using scanning electron microscopy (SEM). The photo-irradiation of the lyophobic aqueous suspensions of anthracene labeled nanoparticles (An-NP) resulted in the formation of higher aggregates, as evidenced by DLS and ultramicroscopy. The obtained state of aggregation could be reverted by sonication. The possibility to re-aggregate the system in subsequent photo-excitation and sonication cycles was established. Likewise, the photo-irradiation of lyophobic aqueous suspensions of pyrene-labeled nanoparticles (Py-NP) resulted in the formation of higher aggregates, as evidenced by DLS and ultramicroscopy. These appeared to remain aggregated due to hydrophobic interactions. This system could also be re-dispersed by sonication and re-aggregated in subsequent cycles of photo-excitation and sonication.

Application of a hybrid blocking layer in dye-sensitized solar cells

In dye-sensitized solar cells a blocking layer between the transparent electrode and the mesoporous titanium dioxide film is used to prevent short-circuits between the hole-conductor and the front electrode. The conventional approach is to use a compact layer of titanium dioxide prepared by spin coating or spray pyrolysis. The thickness of the blocking layer is critical. On one hand, the layer has to be thick enough to cover the rough substrate completely. On the other hand, the serial resistance increases with increasing film thickness, because the layer acts as an ohmic resistance itself. In this thesis an amphiphilic diblock copolymer is used as a functional template to produce an alternative, hybrid blocking layer. The hybrid blocking layer is thinner than the conventional, compact titanium dioxide film and thereby possesses a higher conductivity. Still, this type of blocking layer covers the rough electrode material completely and avoids current loss through charge recombination. The novel blocking layer is prepared using a tailored, amphiphilic block copolymer in combination with sol-gel chemistry. While the hydrophilic poly(ethylene oxide) part of the polymer coordinates a titanium dioxide precursor to form a percolating network of titania particles, the hydrophobic poly(dimethylsiloxane) part turns into an insulating ceramic layer. With this technique, crack-free films with a thickness down to 24 nm are obtained. The presence of a conductive titanium dioxide network for current flow, which is embedded in an insulating ceramic material, is validated by conductive scanning force microscopy. This is the first time that such a hybrid blocking layer is implemented in a solar cell. With this approach the efficiency could be increased up to 27 % compared to the conventional blocking layer. Thus, it is demonstrated that the hybrid blocking layer represents a competitive alternative to the classical approach.

Functional silicones and silicone-containing block copolymers

Polysiloxanes can be synthesized and subsequently modified (i) by the attachment of small molecules that change the properties of the silicone in such a way that it becomes more hydrophilic, but under the premise that this does not go together with a loss of the silicone-specific features. This can be done by adding hydrophilic sidechains to a polysiloxane. Polyethers like poly(ethylene glycol) or hyperbranched polyether-polyols are suitable in this regard. In order to assure that the silicone properties retain, these side groups can be attached to only one part of the polysiloxane backbone, which results in a block copolymer that consists of a common polysiloxane and a second block of the modified structure. (ii) Polysiloxanes can be equipped with functional groups that are capable of initializing polymerization of a different monomer (macroinitiator approach). For example, hydroxyl groups are used to initiate the ring opening polymerization of cyclic esters, or ATRP macroinitiators can be synthesized to add a second block via controlled radical polymerization. Stimuli responsive polymers like poly(oligoethylene glycol methacrylate) (POEGMA) can be added via this route to create “smart” siloxane-containing block copolymers that respond to certain stimuli. rnAn important premise for all synthetic routes is to achieve the targeted structure in a process as simple as possible, because facile availability of the material is crucial with regard to industrial applicability of the invented products. rnConcerning characterization of the synthesized macromolecules, emphasize is put on their (temperature dependent) aggregation behavior, which can be investigated by several microscopic and scattering methods, their behavior at the interface between silicone oils and water and their thermal properties.rnrn

Functionalization and characterization of magnetic nanoparticles for biomedical applications

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Oberflächenfunktionalisierung von MnO Nanopartikeln (NP). Durch die Verwendung und Verbesserung verschiedener Polymere durch die Einbindung von Poly (Ethylen Glycol) (PEG), gelang es, die Löslichkeit dieser Nanopartikel in wässrigen Lösungen sowie in Körperflüssigkeiten zu erhöhen. Zusätzlich konnten diese Nanopartikel deutlich besser steril filtriert werden und zeigten eine erhöhte Aktivität alsrnKontrastmittel im MRT. Vorläufige Ergebnisse für die Verwendung von Silika als Schutzhülle für MnO NP werden ebenfalls kurz erläutert. Die verwendeten Polymere besaßen dabei zugängliche Aminogruppen, die eine weitere Funktionalisierung durch Bio-aktiver Gruppen ermöglichte. Der Nachweis einer erfolgreichen Bindung durch verschiedene Methoden wie SDS-PAGE, Western- und Northern Blot sowie die Verwendung unterschiedlicher FluoreszenzMessungen wird ebenfalls diskutiert. MnO NP und anderer magnetischer NP werden weiterhin auf ihr toxisches Verhalten gegenüber Caki1 und HeLa Zellen getestet. Dabei zeigte sich, dass MnO NP, im Gegensatz zu einigen Kupferoxiden, quasi nicht toxisch waren und das Proliferationsverhalten dieser Zellen quasi nicht beeinflussten. Weiterhin wurde ein Fluoreszenzfarbstoff, konkret Protoporphyrin IX, an die Oberfläche von MnO NP angebracht.Diese konnten dann erfolgreich als Kontrastmittel in der MRT verwendet werden und zeigten vielversprechende Ergebnisse für die Photodynamische Therapie. Desweiteren wird die Synthese des Antikörpers gegen p53 ausführlich erläutert. Dabei wurde genau darauf geachtet,dass dieser Antikörper dann an MnO NP gebunden werden kann.

Multifunctional polyether architectures : versatile materials for surface attachment and functionalization

Chapter 1 of this thesis comprises a review of polyether polyamines, i.e., combinations of polyether scaffolds with polymers bearing multiple amino moieties. Focus is laid on controlled or living polymerization methods. Furthermore, fields in which the combination of cationic, complexing, and pH-sensitive properties of the polyamines and biocompatibility and water-solubility of polyethers promise enormous potential are presented. Applications include stimuli-responsive polymers with a lower critical solution temperature (LCST) and/or the ability to gel, preparation of shell cross-linked (SCL) micelles, gene transfection, and surface functionalization.rnIn Chapter 2, multiaminofunctional polyethers relying on the class of glycidyl amine comonomers for anionic ring-opening polymerization (AROP) are presented. In Chapter 2.1, N,N-diethyl glycidyl amine (DEGA) is introduced for copolymerization with ethylene oxide (EO). Copolymer microstructure is assessed using online 1H NMR kinetics, 13C NMR triad sequence analysis, and differential scanning calorimetry (DSC). The concurrent copolymerization of EO and DEGA is found to result in macromolecules with a gradient structure. The LCSTs of the resulting copolymers can be tailored by adjusting DEGA fraction or pH value of the environment. Quaternization of the amino moieties by methylation results in polyelectrolytes. Block copolymers are used for PEGylated gold nanoparticle formation. Chapter 2.2 deals with a glycidyl amine monomer with a removable protecting group at the amino moiety, for liberation of primary amines at the polyether backbone, which is N,N-diallyl glycidyl amine (DAGA). Its allyl groups are able to withstand the harsh basic conditions of AROP, but can be cleaved homogeneously after polymerization. Gradient as well as block copolymers poly(ethylene glycol)-PDAGA (PEG-PDAGA) are obtained. They are analyzed regarding their microstructure, LCST behavior, and cleavage of the protecting groups. rnChapter 3 describes applications of multi(amino)functional polyethers for functionalization of inorganic surfaces. In Chapter 3.1, they are combined with an acetal-protected catechol initiator, leading to well-defined PEG and heteromultifunctional PEG analogues. After deprotection, multifunctional PEG ligands capable of attaching to a variety of metal oxide surfaces are obtained. In a cooperative project with the Department of Inorganic and Analytical Chemistry, JGU Mainz, their potential is demonstrated on MnO nanoparticles, which are promising candidates as T1 contrast agents in magnetic resonance imaging. The MnO nanoparticles are solubilized in aqueous solution upon ligand exchange. In Chapter 3.2, a concept for passivation and functionalization of glass surfaces towards gold nanorods is developed. Quaternized mPEG-b-PqDEGA diblock copolymers are attached to negatively charged glass surfaces via the cationic PqDEGA blocks. The PEG blocks are able to suppress gold nanorod adsorption on the glass in the flow cell, analyzed by dark field microscopy.rnChapter 4 highlights a straightforward approach to poly(ethylene glycol) macrocycles. Starting from commercially available bishydroxy-PEG, cyclic polymers are available by perallylation and ring-closing metathesis in presence of Grubbs’ catalyst. Purification of cyclic PEG is carried out using α-cyclodextrin. This cyclic sugar derivative forms inclusion complexes with remaining unreacted linear PEG in aqueous solution. Simple filtration leads to pure macrocycles, as evidenced by SEC and MALDI-ToF mass spectrometry. Cyclic polymers from biocompatible precursors are interesting materials regarding their increased blood circulation time compared to their linear counterparts.rnIn the Appendix, A.1, a study of the temperature-dependent water-solubility of polyether copolymers is presented. Macroscopic cloud points, determined by turbidimetry, are compared with microscopic aggregation phenomena, monitored by continuous wave electron paramagnetic resonance (CW EPR) spectroscopy in presence of the amphiphilic spin probe and model drug (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO). These thermoresponsive polymers are promising candidates for molecular transport applications. The same techniques are applied in Chapter A.2 to explore the pH-dependence of the cloud points of PEG-PDEGA copolymers in further detail. It is shown that the introduction of amino moieties at the PEG backbone allows for precise manipulation of complex phase transition modes. In Chapter A.3, multi-hydroxyfunctional polysilanes are presented. They are obtained via copolymerization of the acetal-protected dichloro(isopropylidene glyceryl propyl ether)methylsilane monomer. The hydroxyl groups are liberated through acidic work-up, yielding versatile access to new multifunctional polysilanes.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

Sulfur-containing polymers for surface attachment

Different concepts for the synthesis of sulfur-containing polymers as well as their adsorption onto gold surfaces were studied. The present work is divided into three parts. The main part focuses on the synthesis of poly(1,2-alkylene sulfides) (“polysulfides”) with complex architectures on the basis of polyether-based macroinitiators by the anionic ring-opening polymerization of ethylene sulfide and propylene sulfide. This synthetic tool kit allowed the synthesis of star-shaped, brush-like, comb-like and pom-pom-like polysulfides, the latter two with an additional poly(ethylene glycol) chain. Additionally, the number of polysulfide arms as well as the monomer composition could be varied over a wide range to obtain copolymers with multiple thioether functionalities.rnThe second section deals with the synthesis of a novel lipoic acid-based initiator for ring-opening polymerizations for lactones and epoxides. A straightforward approach was selected to accomplish the ability to obtain tailored polymers with a common used disulfide-anchoring group, without the drawbacks of post-polymerization functionalization. rnIn the third part, a new class of block-copolymers consisting of polysulfides and polyesters were investigated. For the first time this approach enabled the use of hydroxyl-terminated poly(propylene sulfide) as macroinitiator for the synthesis of a second block.rnThe adsorption efficiency of those different polymer classes onto gold nanoparticles as well as gold rnsupports was studied via different methods.rn