Kinetische Untersuchungen zur Synthese von Blockcopolymeren mit Methacrylatsegmenten durch neue anionische Polymerisationssysteme

Ein metallfreies Reaktionssystem mit Bis(triphenylphosphoranyliden)ammonium-Kationen als Gegenionen sowie das Additiv Lithium-2-methoxyethoxid wurden auf ihre Eignung zur anionischen Synthese von Blockcopolymeren mit (Meth)acrylatsegmenten bei moderaten Temperaturen im Strömungsrohr-Reaktor untersucht. Das metallfreie System ist zur lebenden Polymerisation von Methacrylaten in THF mit engen Molekulargewichtsverteilungen bei Reaktionszeiten < 1 s bis zu Temperaturen von 0 °C geeignet. In Gegenwart von Metallionen (Li+) findet eine Verlangsamung der Polymerisation unter Verlust der Reaktionskontrolle statt, Lithiumenolate verursachen nun breite, multimodale Molekulargewichtsverteilungen. Eine lebende Polymerisation von Acrylaten ist nicht möglich, massenspektroskopische Untersuchungen der Produkte weisen auf einen komplexen Reaktionsmechanismus mit Abbruch- und Übertragungsreaktionen hin. Die Synthese von Poly(styrol)-block-Poly(1,4-butadien)-block-Poly(methylmethacrylat)-Copolymeren in Toluol ist mit Lithium-2-methoxyethoxid als Additiv für die MMA-Polymerisation bei moderaten Mischtemperaturen (T < 0 °C) im Strömungsrohr-Reaktor möglich, die Effektivität des Wechselschritts von Polybutadien zu PMMA beträgt im Durchschnitt ca. 50 %. Untersuchungen verschiedener Reaktionsparameter, wie z.B. der Endfunktionalisierung des Polybutadiens mit 1,1-Diphenylethylen und der Temperatur während der Verkappung und der MMA-Polymerisation, geben keine eindeutigen Hinweise auf die Ursache dieses Phänomens. MALDI-TOF-Massenspektren des unreagierten Polybutadien Precursors zeigen die Anlagerung von 1-3 Molekülen Methylmethacrylat und keinen Abbruch durch Backbiting, was auf die Ausbildung stabiler Aggregate hindeutet.

Cyclodextrine als molekulare Reaktionsgefäße

Zusammenfassung:In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die Anwendung von Cyclodextrinen in der Polymerchemie ein neuer Weg gefunden wurde, Homo- und Copolymerisationen von hydrophoben, fluorophilen sowie ionischen Monomeren in wässrigem Medium durchzuführen, die bislang nur durch den Einsatz von Emulgatoren oder in organischen Lösemittelgemischen möglich waren. Standardmonomere wie z.B. Styrol konnten erfolgreich aus wässriger Phase in Gegenwart von Cyclodextrin polymerisiert werden; unter Anwendung des Zulauf-Verfahrens wurden stabile Latices mit monodisperser Teilchengrössenverteilung erhalten. Durch Verwendung von Cyclodextrinen als Löslichkeitsvermittler konnten fluorierte Methacrylate in wässriger Lösung in fast quantitativer Ausbeute homo- bzw. mit Styrol copolymerisiert werden, während bei Abwesenheit von Cyclodextrin keine bzw. nur geringe Umsätze erzielt wurden. Weiterhin ließen sich auch sehr unterschiedliche Monomerpaare wie 1H,1H,2H,2H-Perfluordecylacrylat mit Stearylmethacrylat in wässriger Phase unter Verwendung von Cyclodextrin copolymerisieren. Ein ebenfalls gegensätzliches Monomerenpaar, das sich als Cyclodextrin-Komplex in hohen Ausbeuten und zu hohen Molekulargewichten copolymerisieren ließ, war Natrium-4-(acrylamido)-phenyldiazosulfonat und Styrol, dessen Copolymerisation bislang nur in org. Lösemittelgemischen möglich war. In der Synthese leitfähiger Polymere konnte ein neuer, umweltfreundlicher Weg zur Herstellung von Polyheterocyclen durch oxidative Polymerisation der komplexierten Monomere in Wasser, wie z.B. 3,4-Ethylendioxythiophen oder Pyrrol, die ihre Anwendung zur Herstellung leitfähiger Polymere finden, erarbeitet werden.Zur Variation der Polymereigenschaften wurde auch erstmalig die neue Substanzklasse von 2H-Benzo[5,6][1,4]dioxino[2,3-c]pyrrol-Derivaten synthetisiert.

Festkörper-NMR-Spektroskopie

Die innerhalb dieser Arbeit mittels moderner Festkörper-NMR-Methoden untersuchte molekulare Dynamik in Poly(methacrylat)-Schmelzen und Polyphenylen-Dendrimeren ist durch eine bemerkenswerte Anisotropie gekennzeichnet.Die Anisotropie der molekularen Dynamik zeigt sich in geschmolzenen, ataktischen und isotaktischen Poly(ethylmethacrylaten) (PEMA) durch die Zeitskalenseparation der segmentellen alpha-Relaxation von einem etwa zwei Größenordnungen langsameren Relaxationsprozeß, welcher die Isotropisierung der Polymerhauptkette wiedergibt. Die Isotropisierungsdynamik der Polymerhauptkette wird - mit Ausnahme von PMMA - durch eine universelle, nicht-korrelationszeitenverteilte Relaxationsmode der Poly(methacrylate) quantifiziert, deren Temperaturabhängigkeit durch einen einheitlichen WLF-Parametersatz beschrieben werden kann. Geometrisch läßt sich die Isotropisierung der Hauptkette durch Sprungprozesse beliebiger Amplitude von Kettenstücken mit gestreckter all-trans-Konformation interpretieren. Die Kette zeigt eine außergewöhnliche konformative Stabilität. WAXS-Messungen deuten für PEMA und seine höheren Homologen die Existenz einer Schichtstruktur an, in der sich die steifen, polaren Hauptketten lokal in Monolagen anordnen, welche durch Bereiche zusammengelagerter Seitengruppen getrennt sind. Die Festkörper-NMR-Untersuchungen an Polyphenylen-Dendrimeren bringen zwei zentrale Aspekte in der wechselseitigen Beziehung von Struktur und Dynamik hervor. Zum einen ist die beobachtete molekulare Dynamik auf lokale Reorientierungen einzelner, terminaler Phenylringe um definierte Achsen beschränkt. Polyphenylen-Dendrimermoleküle sind unter diesen Bewegungen formstabil. Zum anderen können sowohl schnelle, als auch langsame Phenylreorientierungen nachgewiesen werden, wobei jeweils die intramolekulare Packungsdichte der Phenylringe das dynamische Verhalten der Polyphenylen-Dendrimere kontrolliert.

Synthese und Strukturierung von funktionalisierten Oligothiophenen

AbstractIn this thesis t-BOC and methacrylate functionalisedoligothiophenes with 3 – 5 thiophene units where synthesizedby Stille coupling. The material was structured by methodslike stamping and photolithography.The polymerizability of the methacrylates was proved by thepolymerization in solution with AIBN and subsequent analysisby gel permeation chromatography and differential scanningcalorimetry. The conductivities of the doped polymer filmswere in the range published for oligothiophenes.The optical and electrochemical properties of the compoundswere measured and compared to known compounds.The cleavage of the t-BOC groups was followed bythermogravimetry and infrared spectroscopy. The cleavagetemperature can be lowered by up to 100 °C by the use ofphoto acid generators. The cleavage is complete after 2hours annealing.The methacrylates were structured by microinjection mouldingin capillaries (MIMIC), stamping with soft silicone moulds,filling of patterned substrates and preperation of an opalreplica. By MIMIC line patterns with 5- 50 µm line widthswere obtained. The stamping succeeded in structures with 500nm line width only, on which liquid crystals wereorientated. This shows the possible application asorientation layers in LED’s with polarized emission. Withsilica opal templates the three-dimensional structuring ofthe oligomers succeeded.ZusammenfassungIn dieser Arbeit wurden neue funktionalisierteOligothiophene hergestellt und unter Anwendung verschiedenerVerfahren wie Stempeltechniken oder Photolithographiestrukturiert. Dazu wurden Oligothiophene mit drei bis fünfThiopheneinheiten durch Stille-Kupplung synthetisiert. Alsfunktionelle Gruppen wurden t-BOC-Ester undMethacrylsäureester eingeführt.Die Polymerisierbarkeit der Methacrylate wurde durch diePolymerisation mit AIBN in Lösung und anschließendeGelpermeationschromatographie und Differentialkalorimetrienachgewiesen. Die Leitfähigkeiten der dotierten Polymerfilmelagen im Bereich der für Oligothiophene bekannten Werte.Die optischen und elektrochemischen Eigenschaften derVerbindungen wurden untersucht und mit den Eigenschaftenbekannter Verbindungen verglichen. Die Abspaltung der t-BOC-Gruppen wurde thermogravimetrischund infrarotspektroskopisch verfolgt. Es wurde gezeigt, daßdie Abspaltungstemperatur durch den Zusatz einesPhotosäuregenerators um bis zu 100°C gesenkt wird und dieAbspaltung nach zweistündigem Tempern vollständig ist.Die methacrylatfunktionalisierten Verbindungen wurdenstrukturiert durch Micro Injection Moulding in Capillaries(MIMIC), Prägen mit weichen Silikonstempeln, Füllen vonstrukturierten Substraten und die Herstellung einerOpalreplika. Durch die Strukturierung mit MIMIC wurdenLinienstrukturen mit Linienbreiten von 5-50 µm erhalten.Durch Prägen wurden Strukturen mit Linienbreiten von nur 500nm erreicht, auf diesen gelang die Orientierung vonFlüssigkristallen. Dies zeigt die mögliche Anwendung alsOrientierungsschichten in Leuchtdioden mit polarisierterEmission. Durch die Verwendung von Siliziumoxidopalen alsTemplate gelang die dreidimensionale Strukturierung derOligomere.

Synthese und Charakterisierung von Polymethylmethacrylat (PMMA)-Silika-Komposit-Partikeln und fluorierten Nanopartikeln unter Verwendung des Miniemulsionsprozesses

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei verschiedene Fragestellungen bearbeitet. Zum einen wurde im Rahmen des Schwerpunktprojektes „Kolloidverfahrenstechnik“ und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Heike Schuchmann vom KIT in Karlsruhe die Verkapselung von Silika-Nanopartikeln in eine PMMA-Hülle durch Miniemulsionspolymerisation entwickelt und der Aufskalierungsprozess unter Verwendung von Hochdruckhomogenisatoren vorangetrieben. Zum anderen wurden verschiedene fluorierte Nanopartikel durch den Miniemulsionsprozess generiert und ihr Verhalten in Zellen untersucht.rnSilika-Partikel konnten durch Miniemulsionspolymerisation in zwei unterschiedlichen Prozessen erfolgreich verkapselt werden. Bei der ersten Methode wurden zunächst modifizierte Silika-Partikel in einer MMA-Monomerphase dispergiert und anschließend durch den normalen Miniemulsionsprozess Silika-beladene Tröpfchen generiert. Diese konnten zu Komposit-Partikeln polymerisiert werden. Bei der Verkapselung durch den Fission/Fusion Prozess wurden die hydrophobisierten Silika-Partikel durch Fission und Fusion Prozesse in schon vorhandene Monomertröpfchen eingebracht, welche hinterher polymerisiert wurden. Um hydrophiles Silika in einem hydrophoben Monomer zu dispergieren, musste zunächst eine Modifizierung der Silika-Partikel stattfinden. Dies geschah unter anderem über eine chemische Anbindung von 3-Methacryloxypropyltri-methoxysilan an der Oberfläche der Silika-Partikel. Des Weiteren wurden die hydrophilen Silika-Partikel durch Adsorption von CTMA-Cl physikalisch modifiziert. Unter anderem durch die Variation des Verkapselungsprozesses, der Silika-Menge, der Tensidart und –menge und der Comonomere konnten Komposit-Partikel mit unterschiedlichen Morphologien, Größen, und Füllgraden erhalten werden.rnFluorierte Nanopartikel wurden erfolgreich über den Prozess der Miniemulsionspolymerisation synthetisiert. Als Monomere dienten dabei fluorierte Acrylate, fluorierte Methacrylate und fluoriertes Styrol. Es war möglich aus jeder dieser drei Gruppen an Monomeren fluorierte Nanopartikel herzustellen. Für genauere Untersuchungen wurden 2,3,4,5,6-Pentafluorstyrol, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-Heptadecafluorodecyl-methacrylat und 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecylacrylat als Monomere ausgewählt. Als Hydrophob zur Unterdrückung der Ostwaldreifung wurde Perfluromethyldecalin eingesetzt. Die stabilsten Miniemulsionen wurden wiederum mit den ionischen Tensid SDS generiert. Mit steigendem Gehalt an SDS gelöst in der kontinuierlichen Phase, wurde eine Verkleinerung der Partikelgröße festgestellt. Neben den Homopolymerpartikeln wurden auch Copolymerpartikel mit Acrylsäure erfolgreich synthetisiert. Zudem wurde noch das Verhalten der fluorierten Partikel in Zellen überprüft. Die fluorierten Partikel wiesen ein nicht toxisches Verhalten vor. Die Adsorption von Proteinen aus Humanem Serum wurde über ITC Messungen untersucht. rnSomit konnte gezeigt werden, dass die Technik der Miniemulsionspolymerisation eine abwechslungsreiche und effektive Methode ist, um Hybridnanopartikel mit verschiedenen Morphologien und oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel erfolgreich zu generieren.rn

Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization

Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer-Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.

THERMORESPONSIVE PROPERTIES OF GOLD HYBRID NANOPARTICLES OF POLY(DI(ETHYLENE GLYCOL) METHYL ETHER METHACRYLATE) (PDEGMA) AND ITS BLOCK COPOLYMERS WITH DIFFERENT ANCHORING REGIMES

Thermo-responsive materials have been of interest for many years, and have been studied mostly as thermally stimulated drug delivery vehicles. Recently acrylate and methacrylates with pendant ethylene glycol methyl ethers been studied as thermo responsive materials. This work explores thermo response properties of hybrid nanoparticles of one of these methacrylates (DEGMA) and a block copolymer with one of the acrylates (OEGA), with gold nanoparticle cores of different sizes. We were interested in the effects of gold core size, number and type of end groups that anchored the chains to the gold cores, and location of bonding sites on the thermo-response of the polymer. To control the number and location of anchoring groups we using a type of controlled radical polymerization called Reversible Addition Fragmentation Transfer (RAFT) Polymerization. Smaller gold cores did not show the thermo responsive behavior of the polymer but the gold cores did seem to self-assemble. Polymer anchored to larger gold cores did show thermo responsivity. The anchoring end group did not alter the thermoresponsivity but thiol-modified polymers stabilized gold cores less well than chains anchored by dithioester groups, allowing gold cores to grow larger. Use of multiple bonding groups stabilized the gold core. Using block copolymers we tested the effects of number of thiol groups and the distance between them. We observed that the use of multiple anchoring groups on the block copolymer with a sufficiently large gold core did not prevent thermo responsive behavior of the polymer to be detected which allows a new type of thermo-responsive hybrid nanoparticle to be used and studied for new applications.

Casting materials and their application in research and teaching

From a biological point of view, casting refers to filling of anatomical and/or pathological spaces with extraneous material that reproduces a three-dimensional replica of the space. Casting may be accompanied by additional procedures such as corrosion, in which the soft tissue is digested out, leaving a clean cast, or the material may be mixed with radiopaque substances to allow x-ray photography or micro computed topography (µCT) scanning. Alternatively, clearing of the surrounding soft tissue increases transparency and allows visualization of the casted cavities. Combination of casting with tissue fixation allows anatomical dissection and didactic surgical procedures on the tissue. Casting materials fall into three categories namely, aqueous substances (India ink, Prussian blue ink), pliable materials (gelatins, latex, and silicone rubber), or hard materials (methyl methacrylates, polyurethanes, polyesters, and epoxy resins). Casting has proved invaluable in both teaching and research and many phenomenal biological processes have been discovered through casting. The choice of a particular material depends inter alia on the targeted use and the intended subsequent investigative procedures, such as dissection, microscopy, or µCT. The casting material needs to be pliable where anatomical and surgical manipulations are intended, and capillary-passable for ultrastructural investigations.

Mixed-charge copolymer as environmentally friendly low fouling marine coatings

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

NMR imaging of the diffusion of water at 310 K into semi-IPNs of PEM and Poly(HEMA-co-THFMA)

Magnetic resonance imaging has been used to monitor the diffusion of water at 310 K into a series of semi-IPNs of poly(ethyl methacrylate), PEM, and copolymers of 2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA, and tetrahydrofurfuryl methacrylate, THFMA. The diffusion was found to be well described by a Fickian kinetic model in the early stages of the water sorption process, and the diffusion coefficients were found to be slightly smaller than those for the copolymers of HEMA and THFMA, P(HEMA-co-THFMA), containing the same mole fraction of HEMA in the matrix. A second stage sorption process was identified in the later stage of water sorption by the PEM/PTHFMA semi-IPN and for the systems containing a P(HEMA-co-THFMA) component with a mole fraction HEMA of 0.6 or less. This was characterized by the presence of Water near the surface of the cylinders with a longer NMR T-2 relaxation time, which would be characteristic of mobile water, such as water present in large pores or surface fissures. The presence of the drug chlorhexidine in the polymer matrixes at a concentration of 5.625 wt % was found not to modify the properties significantly, but the diffusion coefficients for the water sorption were systematically smaller when the drug was present.

Mass uptake study of the diffusion of water and SBF into poly(2-hydroxyethyl methacrylate-co-tetrahydrofurfuryI methacrylate) containing aspirin or vitamin B-12

The ingress of water and Kokubo simulated body fluid (SBF) into poly (2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA), and its co-polymers with tetrahydrofurduryl methacrylate (THFMA), loaded with either one of two model drugs, vitamin 1312 or aspirin, was studied by mass uptake over the temperature range 298-318 K. The polymers were studied as cylinders and were loaded with either 5 wt% or 10 wt% of the drugs. From DSC studies it was observed that vitamin B-12 behaved as a physical cross-linker restricting chain segmental mobility, and so had a small anti-plasticisation effect on PHEMA and the co-polymers rich in HEMA, but almost no effect on the T-g of co-polymers rich in THFMA. On the other hand, aspirin exhibited a plasticising effect on PHEMA and the copolymers. All of the polymers were found to absorb water and SBF according to a Fickian diffusion mechanism. The polymers were all found to swell to a greater extent in SBF than in water, which was attributed to the presence of Tris buffer in the SBF. The sorptions of the two penetrants were found to follow Fickian kinetics in all cases and the diffusion coefficients at 310 K for SBF were found to be smaller than those for water, except for the polymers containing aspirin where the diffusion coefficients were higher than for the other systems. For example, for sorption into PHEMA the diffusion coefficient for water was 1.41 X 10(-11) m(2)/s and for SBF was 0.79 x 10-11 m(2)/s, but in the presence of 5 wt% aspirin the corresponding values were 1.27 x 10(-1)1 m(2)/s and 1.25 x 10(-11) m(2)/s, respectively. The corresponding values for PHEMA loaded with 5 wt% B-12 were 1.25 x 10(-11) m(2)/s and 0.74 x 10(-11) m(2)/s, respectively.

NMR imaging of the diffusion of water at 310 K into poly[(2-hydroxyethyl methacrylate)-co-(tetrahydrofurfuryl methacrylate)] containing vitamin B12 or aspirin

The ingress of water into copolymers of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and tetrahydrofurfuryl methacrylate (THFMA) loaded with either one of two model drugs, ie vitamin B-12 or aspirin, was studied at 310 K using three-dimensional nuclear magnetic resonance (3D NMR) imaging. The poly(HEMA) was loaded with 5 wt% of the drugs. From the imaging profiles it was observed that incorporation of vitamin B-12 into the polymers rich in HEMA resulted in crack formation at the interface between the rubbery region and the glassy core on sorption of water, although these cracks were 'healed' behind the diffusion front. However, for the copolymers with low HEMA contents and for those containing aspirin, no evidence for similar crack formation was found. For the copolymers loaded with 5 wt% of aspirin or vitamin B-12 the values of the water diffusion coefficients, determined by curve-fitting the relative water concentration profiles from magnetic resonance imaging (MRI) measurements, were found to be smaller than those obtained from a mass uptake study. (C) 2004 Society of Chemical Industry.

Novel hydrogel copolymers and semi-interpenetraing polymer networks

Interpenetrating polymer networks (lPN's), have been defined as a combination of two polymers each in network form, at least one of which has been synthesised and / or crosslinked in the presence of the other. A semi-lPN, is formed when only one of the polymers in the system is crosslinked, the other being linear. lPN's have potential advantages over homogeneous materials presently used in biomedical applications, in that their composite nature gives them a useful combination of properties. Such materials have potential uses in the biomedical field, specifically for use in hard tissue replacements, rigid gas permeable contact lenses and dental materials. Work on simply two or three component systems in both low water containing lPN's supplemented by the study of hydrogels (water swollen hydrophilic polymers) can provide information useful in the future development of more complex systems. A range of copolymers have been synthesised using a variety of methacrylates and acrylates. Hydrogels were obtained by the addition of N-vinyl pyrrolidone to these copolymers. A selection of interpenetrants were incorporated into the samples and their effect on the copolymer properties was investigated. By studying glass transition temperatures, mechanical, surface, water binding and oxygen permeability properties samples were assessed for their suitability for use as biomaterials. In addition copolymers containing tris-(trimethylsiloxy)-y-methacryloxypropyl silane, commonly abbreviated to 'TRlS', have been investigated. This material has been shown to enhance oxygen permeability, a desirable property when considering the design of contact lenses. However, 'TRIS' has a low polar component of surface free energy and hence low wettability. Copolymerisation with a range of methacrylates has shown that significant increases in surface wettability can be obtained without a detrimental effect on oxygen permeability. To further enhance to surface wettability 4-methacryloxyethyl trimellitic anhydride was incorporated into a range of promising samples. This study has shown that by careful choice of monomers it is possible to synthesise polymers that possess a range of properties desirable in biomedical applications.

Synthetic polymers for ophthalmic applications

The contact lens represents a well-established important class of biomaterials. This thesis brings together the literature, mostly Japanese and American patents, concerned with an important group of polymers, `rigid gas permeable contact lens materials'. A comparison is made of similarities in the underlying chemical themes, centring on the use of variants of highly branched siloxy compounds with polymerizable methacrylate groups. There is a need for standard techniques to assess laboratory behaviour in relation to in vitro performance. A major part of the present work is dedicated to the establishment of such standardised techniques. It is apparent that property design requirements in this field (i.e. oxygen permeability, surface and mechanical properties) are to some extent conflicting. In principle, the structural approaches used to obtain high oxygen permeability lead to surface properties that are less than ideal in terms of compatibility with tears. PMMA is known to have uniquely good (but not perfect) surface properties in this respect; it has been used as a starting point in attempting to design new materials that possess a more acceptable compromise of transport and surface properties for ocular use. Initial examination of the oxygen permeabilities of relatively simple alkyl methacrylates, show that butyl methacrylate which has a permeability some fifty times greater than PMMA, represents an interesting and hitherto unexplored group of materials for ophthalmic applications. Consideration was similarly given to surface modification techniques that would produce materials having the ability to sustain coherent tear film in the eye without markedly impairing oxygen transport properties. Particular attention is paid to the use of oxygen plasma techniques in this respect. In conclusion, similar design considerations were applied to an extended wear hydrogel lens material in an attempt to overcome mechanical stability deficiencies which manifest themselves lq`in vivo' but not `in vitro'. A relatively simple structure modification, involving steric shielding of the amide substituent group, proved to be an effective solution to the problem.

Novel hydrogel polymers

Hydrogels may be conveniently described as hydrophilic polymers that are swollen by, but do not dissolve in water. In this work a series of copolymer hydrogels and semi-interpenetrating polymer networks based on the monomers 2-hydroxyethyl methacrylate, N-vinyl pyrrolidone and N'N' dimethyl acrylamide, together with some less hydrophilic hydroxyalkyl acrylates and methacrylates have been synthesised. Variations in structure and composition have been correlated both with the total equilibrium water content of the resultant hydrogel and with the more detailed water binding behaviour, as revealed by differential scanning calorimetry studies. The water binding characteristics of the hydrogels were found to be primarily a function of the water structuring groups present in gel. The water binding abilities of these groups were, however, modified by steric effects. The mechanical properties of the hydrogels were also investigated. These were found to be dependent on both the polymer composition and the amount and nature of the water present in the gels. In biological systems, composite formation provides a means of producing strong, high water content materials. As an analogy with these systems hydrogel composites were prepared. In an initial study of these materials the water binding and mechanical properties of semi-interpenetrating polymer networks of N'N'dimethyl acrylamide with cellulosic type materials, with polyurethanes and with ester containing polymers were examined. A preliminary investigation of surface properties of both the copolymers and semi-interpenetrating polymer networks has been completed, using both contact angle measurements and anchorage dependent fibroblast cells. Measurable differences in surface properties attributable to structural variations in the polymers were detected by droplet techniques in the dehydrated state. However, in the hydrated state these differences were masked by the water in the gels. The use of cells enabled the underlying differences to be probed and the nature of the water structuring group was again found to be the dominant factor.