Characterization of structure and dynamics of submicrometric systems via fluorescence correlation spectroscopy

The presented thesis revolves around the study of thermally-responsive PNIPAAm-based hydrogels in water/based environments, as studied by Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS).rnThe goal of the project was the engineering of PNIPAAm gels into biosensors. Specifically, a gamma of such gels were both investigated concerning their dynamics and structure at the nanometer scale, and their performance in retaining bound bodies upon thermal collapse (which PNIPAAm undergoes upon heating above 32 ºC).rnFCS’s requirements, as a technique, match the limitations imposed by the system. Namely, the need to intimately probe a system in a solvent, which was also fragile and easy to alter. FCS, on the other hand, both requires a fluid environment to work, and is based on the observation of diffusion of fluorescents at nanomolar concentrations. FCS was applied to probe the hydrogels on the nanometer size with minimal invasivity.rnVariables in the gels were addressed in the project including crosslinking degree; structural changes during thermal collapse; behavior in different buffers; the possibility of decreasing the degree of inhomogeneity; behavior of differently sized probes; and the effectiveness of antibody functionalization upon thermal collapse.rnThe evidenced results included the heightening of structural inhomogeneities during thermal collapse and under different buffer conditions; the use of annealing to decrease the inhomogeneity degree; the use of differently sized probes to address different length scale of the gel; and the successful functionalization before and after collapse.rnThe thesis also addresses two side projects, also carried forward via FCS. One, diffusion in inverse opals, produced a predictive simulation model for diffusion of bodies in confined systems as dependent on the bodies’ size versus the characteristic sizes of the system. The other was the observation of interaction of bodies of opposite charge in a water solution, resulting in a phenomenological theory and an evaluation method for both the average residence time of the different bodies together, and their attachment likelihood.

Synthese organisch-anorganischer Hybridmaterialien in Mehrkomponenten-Lösungsmittelsystemen

Die Funktionalisierung anorganischer Nanopartikel stellt einen Schlüsselschritt in der Herstellung von Nanokompositen dar. Nanokomposite erzielen ein wachsendes Interesse im Bereich der Polymer- und der Materialwissenschaften, da die Kombination mehrerer Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie etwa die Kombination anorganischer Nanopartikel mit Polymeren, große Synergieeffekte erhoffen lässt.rnrnDer Einbau anorganischer Nanopartikel in polymere Matrixmaterialien zur Verbesserung oder Einführung mechanischer, optischer oder magnetischer Eigenschaften von Polymeren bedarf allerdings der Modifizierung der Oberfläche des anorganischen Materials, um die für die positiven Synergieeffekte essentielle Kompatibilität zwischen Füllstoff und Matrix zu erreichen.rnrnEine Vielzahl anorganischer Partikel ist bereits als wässrige Dispersion erhältlich (SiO2, Al2O3, CeO2, ZrO2, ...). Mehrkomponenten- Lösungsmittelsysteme ermöglichen den Transfer dieser Partikel in eine unpolare Umgebung und gleichzeitig deren Funktionalisierung mit amphiphilen Copolymeren. Aufgrund der reversiblen Schaltbarkeit dieser Lösungsmittelsysteme zwischen einem einphasigen und zweiphasigen Zustand werden die zu Beginn in zwei nichtmischbaren Phasen vorliegenden Reaktionspartner durch Übergang in einen einphasigen Zustand unter homogenen Bedingungen in Kontakt gebracht und durch eine erneute Phasentrennung isoliert.rnEin weiterer Vorteil dieser Lösungsmittelsysteme ist deren Tolerierung funktioneller Gruppen in den verwendeten amphiphilen Copolymeren, welche nicht in Wechselwirkung mit der Partikeloberfläche stehen. Beispielsweise können Amine in den amphiphilen Copolymeren für die Wechselwirkung der funktionalisierten Partikel mit einer Polyurethanmatrix dienen, Alkine können mittels einer 1,3-dipolaren Cycloaddition umgesetzt werden oder aber perfluorierten Seitenketten in den Seitenketten der amphiphilen Copolymere die Kompatibilisierung der funktionalisierten Partikel mit einem perfluorierten Polymer gewährleisten.

Cinchona alkaloids and BINOL derivatives as privileged catalysts or ligands in asymmetric synthesis

During the last fifteen years organocatalysis emerged as a powerful tool for the enantioselective functionalization of the most different organic molecules. Both C-C and C-heteroatom bonds can be formed in an enantioselective fashion using many types of catalyst and the field is always growing. Many kind of chiral catalysts have emerged as privileged, but among them Proline, cinchona alkaloids, BINOL, and their derivatives showed to be particularly useful chiral scaffolds. This thesis, after a short presentation of many organocatalysts and activation modes, focuses mainly on cinchona alkaloid derived primary amines and BINOL derived chiral Brønsted acids, describing their properties and applications. Then, in the experimental part, these compounds are used for the catalysis of new transformations. The enantioselective Friedel-Crafts alkylation of cyclic enones with naphthols using cinchona alkaloid derived primary amines as catalysts is presented and discussed. The results of this work were very good and this resulted also in a publication. The same catalysts are then used to accomplish the enantioselective addition of indoles to cyclic enones. Many catalysts in combination with many acids as co-catalysts were tried and the reaction was fully studied. Selective N-alkylation was obtained in many cases, in combination with quite good to good enantioselectivities. Also other kind of catalysis were tried for this reaction, with interesting results. Another aza-Michael reaction between OH-free hydroxylamines and nitrostyrene using cinchona alkaloid derived thioureas is briefly discussed. Then our attention focused on Brønsted acid catalyzed transformations. With this regard, the Prins cyclization, a reaction never accomplished in an enantioselective fashion until now, is presented and developed. The results obtained are promising. In the last part of this thesis the work carried out abroad is presented. In Prof. Rueping laboratories, an enantioselective Nazarov cyclization using cooperative catalysis and the enantioselective desymmetrization of meso-hydrobenzoin catalyzed by Brønsted acid were studied.

Synthese von Carbolinen durch übergangsmetall-katalysierte [2+2+2]-Cycloaddition von Alkinen und Nitrilen: Ein neuer Weg zur Totalsynthese von Lavendamycin

Carboline sind eine große Gruppe von natürlich vorkommenden Alkaloiden, die eine tricyclische Pyrido[b]indol-Ringstruktur gemeinsam habe. Das breite Spektrum biologischer Eigenschaften dieser Verbindungsklasse macht sie zu einem interessanten Syntheseziel. Die größte Herausforderung in der Darstellung von Carbolinen ist die regioselektive Funktionalisierung an den aromatischen Positionen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein A ABC-Zugang zu beta- und gamma-Carbolinen entwickelt werden, dessen Schlüsselschritt der Aufbau des Carbolin-Gerüsts durch eine übergangsmetall-katalysierte [2+2+2]-Cycloaddition von 1,6-Diin-Einheiten und Nitrilen ist. Die benötigten Diin-Einheiten wurden in wenigen Schritten ausgehend von 2-Iodanilin durch eine Reaktionssequenz aus Sonogashira-Reaktion mit terminalen Alkinen, N-Tosylierung und N-Ethinylierung mit Alkinyliodonium-Salzen synthetisiert. Eine flexible Funktionalisierung dieser Diine wurde durch palladium-katalysierte sp2-sp-Kreuzkupplungsreaktionen der terminalen Alkine mit Aryl- und Alkenylhalogeniden erreicht. Cp*RuCl- und [Rh(cod)2]BF4/BINAP-katalysierte [2+2+2]-Cycloadditionen der 1,6-Diine mit elektronenarmen Nitrilen lieferte in hoher Regioselektivität beta- oder gamma-Carboline. In Übereinstimmung mit literaturbekannten übergangsmetall-katalysierten [2+2+2]-Cycloadditionen konnte dabei eine starke Abhängigkeit von sterischen und elektronischen Faktoren beobachtet werden. Um das Potential dieser Methode zu demonstrieren, wurde der Einsatz der [2+2+2]-Cycloaddition in Totalsynthese von Lavendamycin untersucht. Lavendamycin, ein aus Bakterien stammendes Chinochinolin-substituiertes beta-Carbolin mit antimikrobieller und signifikanter Antitumor-Aktivität, wurde ausgehend von Hydrochinon und 2-Iodanilin in 14 Schritten und in einer Gesamtausbeute von 29% dargestellt.

Au(I) Catalyzed Manipulation of Propargylic Alcohols: A New Route Towards the Synthesis of Indole Alkaloids

In this work we presented several aspects regarding the possibility to use readily available propargylic alcohols as acyclic precursors to develop new stereoselective [Au(I)]-catalyzed cascade reactions for the synthesis of highly complex indole architectures. The use of indole-based propargylic alcohols of type 1 in a stereoselective [Au(I)]-catalyzed hydroindolynation/immiun trapping reactive sequence opened access to a new class of tetracyclic indolines, dihydropyranylindolines A and furoindolines B. An enantioselective protocol was futher explored in order to synthesize this molecules with high yields and ee. The suitability of propargylic alcohols in [Au(I)]-catalyzed cascade reactions was deeply investigated by developing cascade reactions in which was possible not only to synthesize the indole core but also to achieve a second functionalization. Aniline based propargylic alcohols 2 were found to be modular acyclic precursors for the synthesis of [1,2-a] azepinoindoles C. In describing this reactivity we additionally reported experimental evidences for an unprecedented NHCAu(I)-vinyl specie which in a chemoselective fashion, led to the annulation step, synthesizing the N1-C2-connected seven membered ring. The chemical flexibility of propargylic alcohols was further explored by changing the nature of the chemical surrounding with different preinstalled N-alkyl moiety in propargylic alcohols of type 3. Particularly, in the case of a primary alcohol, [Au(I)] catalysis was found to be prominent in the synthesis of a new class of [4,3-a]-oxazinoindoles D while the use of an allylic alcohol led to the first example of [Au(I)] catalyzed synthesis and enantioselective functionalization of this class of molecules (D*). With this work we established propargylic alcohols as excellent acyclic precursor to developed new [Au(I)]-catalyzed cascade reaction and providing new catalytic synthetic tools for the stereoselective synthesis of complex indole/indoline architectures.

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

Self-Assembled Monolayers (SAMs) in Organic Field-Effect Transistors

Organic printed electronics is attracting an ever-growing interest in the last decades because of its impressive breakthroughs concerning the chemical design of π-conjugated materials and their processing. This has an impact on novel applications, such as flexible-large-area displays, low- cost printable circuits, plastic solar cells and lab-on-a-chip devices. The organic field-effect transistor (OFET) relies on a thin film of organic semiconductor that bridges source and drain electrodes. Since its first discovery in the 80s, intensive research activities were deployed in order to control the chemico-physical properties of these electronic devices and consequently their charge. Self-assembled monolayers (SAMs) are a versatile tool for tuning the properties of metallic, semi-conducting, and insulating surfaces. Within this context, OFETs represent reliable instruments for measuring the electrical properties of the SAMs in a Metal/SAM/OS junction. Our experimental approach, named Charge Injection Organic-Gauge (CIOG), uses OTFT in a charge-injection controlled regime. The CIOG sensitivity has been extensively demonstrated on different homologous self-assembling molecules that differ in either chain length or in anchor/terminal group. One of the latest applications of organic electronics is the so-called “bio-electronics” that makes use of electronic devices to encompass interests of the medical science, such as biosensors, biotransducers etc… As a result, thee second part of this thesis deals with the realization of an electronic transducer based on an Organic Field-Effect Transistor operating in aqueous media. Here, the conventional bottom gate/bottom contact configuration is replaced by top gate architecture with the electrolyte that ensures electrical contact between the top gold electrode and the semiconductor layer. This configuration is named Electrolyte-Gated Field-Effect Transistor (EGOFET). The functionalization of the top electrode is the sensing core of the device allowing the detection of dopamine as well as of protein biomarkers with ultra-low sensitivity.

Nano-fabrication of complex functional structures using non- conventional lithography

In Chapter 1 I will present a brief introduction on the state of art of nanotechnologies, nanofabrication techniques and unconventional lithography as a technique to fabricate the novel electronic device as resistive switch so-called memristor is shown. In Chapter 2 a detailed description of the main fabrication and characterization techniques employed in this work is reported. Chapter 3 parallel local oxidation lithography (pLOx) describes as a main technique to obtain accurate patterning process. All the effective parameters has been studied and the optimized condition observed to highly reproducible with excellent patterned nanostructures. The effect of negative bias, calls local reduction (LR) studied. Moreover, the use of AC bias shows faster patterning process respect to DC bias. In Chapter 4 (metal/ e-SiO2/ Si nanojunction) it is shown how the electrochemical oxide nanostructures by using pLOx can be used in the fabrication of novel devices call memristor. We demonstrate a new concept, based on conventional materials, where the lifetime problem is resolved by introducing a “regeneration” step, which restores the nano-memristor to its pristine condition by applying an appropriate voltage cycle. In Chapter 5 (Graphene/ e-SiO2/ Si), Graphene as a building block material is used as an electrode to selectively oxidize the silicon substrate by pLOx set up for the fabrication of novel resistive switch device. In Chapter 6 (surface architecture) I will show another application of pLOx in biotechnology is shown. So the surface functionalization combine with nano-patterning by pLOx used to design a new surface to accurately bind biomolecules with the possibility of studying those properties and more application in nano-bio device fabrication. So, in order to obtain biochips, electronic and optical/photonics devices Nano patterning of DNA used as scaffolds to fabricate small functional nano-components.

Synthese von Naturstoffen mit Lacton-Strukturen großer und mittlerer Ringgröße: Ein Curvularin-Analogon und Phomol

1.1 Synthese des dreizehngliedrigen (S)-(-)-Curvularin-AnalogonsrnAus biologischen Studien ist bekannt, dass (S)-(-)-Curvularin die Tyrosin-Phosphorylierung von STAT1-Proteinen inhibiert. Die Struktur des biologischen Targets ist jedoch unbekannt. Aus diesem Grund wurde eine Variation des (S)-(-)-Curvularin-Gerüsts vorgenommen werden, indem das zwölfgliedrige Ringgerüst erweitert wurde. Das dreizehngliedrigen (S)-(-)-Curvularin-Analogons konnte aus Acetondicarbonsäuredimethylester, (S)-Hex-5-en-2-ol, und Adipinsäuremonoallylester in 11 Stufen dargestellt werden.rn1.2 PhomolrnDas zweite Ziel dieser Arbeit war die Totalsynthese von Phomol. Zunächst wurden ausgehend von D Mannitol (3S,4R)-3,4-O-Isopropyliden-dec-1-en-5-ol in sechs Stufen und (3R,4R)-3,4-Dibenzyloxy-5-hexensäure in sieben Stufen synthetisiert und anschließend unter Yamaguchi-Bedingungen verestert. Die erhaltenen Ester wurden der Ringschlussmetathese unterworfen. Hierbei entstand das gewünschte Makrolacton lediglich in Spuren, welches spektroskopisch nachgewiesen werden konnten. Daher wurden im weiteren Verlauf (3S,4S,5S)-3-(p-Methoxybenzyl)-4-(triisopropylsilyloxy)-1-decen-5-ol und (3S,4S,5R)-3-(p-Methoxyben-zyl)-4-(triisopropylsilyloxy)-1-decen-5-ol in 10 Stufen aus (+) Xylose synthetisiert. Diese Alkohole wurden mit (3R,4R)-3,4-Di-p-methoxybenzyloxy-5-hexensäure, welche analog (3R,4R)-3,4-Dibenzyloxy-5-hexensäure dargestellt wurden, unter Yamaguchi-Bedingungen verestert und anschließend Studien zur Ringschlussmetathese unterworfen. Hierbei ließ sich nur ein Diastereomer zur Reaktion bringen wodurch sich (4R,5R,8S,9S,10R,E)-4,5,8-Tri(p-methoxybenzyloxy)-10-pentyl-9-(triisopropylsilyloxy)-3,3,5,8,9,10-hexahydro-2H-oxecin-2-on bildete. Nach Spaltung des Silylethers sollte die Seitenkette an C-8 eingeführt werden, was jedoch unter verschiedenen Bedingungen nicht gelungen ist. rnDas Grundgerüst des Phomols konnte in einer 20-stufigen Synthese ausgehend von D Mannitol und (+) Xylose aufgebaut werden. rn

Electrospun Polymeric Scaffolds with Enhanced Biomimetic Properties for Tissue Engineering Applications

This PhD Thesis is focused on the development of fibrous polymeric scaffolds for tissue engineering applications and on the improvement of scaffold biomimetic properties. Scaffolds were fabricated by electrospinning, which allows to obtain scaffolds made of polymeric micro or nanofibers. Biomimetism was enhanced by following two approaches: (1) the use of natural biopolymers, and (2) the modification of the fibers surface chemistry. Gelatin was chosen for its bioactive properties and cellular affinity, however it lacks in mechanical properties. This problem was overcome by adding poly(lactic acid) to the scaffold through co-electrospinning and mechanical properties of the composite constructs were assessed. Gelatin effectively improves cell growth and viability and worth noting, composite scaffolds of gelatin and poly(lactic acid) were more effective than a plain gelatin scaffold. Scaffolds made of pure collagen fibers were fabricated. Modification of collagen triple helix structure in electrospun collagen fibers was studied. Mechanical properties were evaluated before and after crosslinking. The crosslinking procedure was developed and optimized by using - for the first time on electrospun collagen fibers - the crosslinking reactant 1,4-butanediol diglycidyl ether, with good results in terms of fibers stabilization. Cell culture experiments showed good results in term of cell adhesion and morphology. The fiber surface chemistry of electrospun poly(lactic acid) scaffold was modified by plasma treatment. Plasma did not affect thermal and mechanical properties of the scaffold, while it greatly increased its hydrophilicity by the introduction of carboxyl groups at the fiber surface. This fiber functionalization enhanced the fibroblast cell viability and spreading. Surface modifications by chemical reactions were conducted on electrospun scaffolds made of a polysophorolipid. The aim was to introduce a biomolecule at the fiber surface. By developing a series of chemical reactions, one oligopeptide every three repeating units of polysophorolipid was grafted at the surface of electrospun fibers.

Synthesis and characterization of temperature- and light-responsive polymers and block copolymers

In summary, thermoresponsive polyacrylamides with various amounts of different photoswitchable side groups, i. e. azobenzene, salicylideneaniline and fulgimide were successfully prepared. As such, in a first step three different chromophores with an amine functionality were synthesized. The synthesis of the stimuli-responsive materials was based on the RAFT polymerization of activated ester acrylates followed by a polymer analogous reaction with different amines. The procedure has been designed to allow the synthesis of well-defined materials with functional groups. All copolymers prepared in this way showed a LCST in aqueous solution. The LCST was in general decreased by increasing the amount of hydrophobic dye incorporated into the thermoresponsive polymer. However, in the case of the fulgimide, the LCST was hardly affected by the chromophore. For azobenzene containing PNIPAM polymers and analogues, higher LCST values were measured after irradiation of the polymer sample solutions with UV-light (Delta LCSTmax = 7.3°C). A reversible light-induced solubility change within a certain temperature range was possible. In contrast to this, irradiated samples of salicylideneaniline containing thermoresponsive copolymers showed an irreversible increase in the LCST (Delta LCSTmax = 13.0°C). Fulgimide chromophores did not influence the LCST of PNIPAM based copolymers after UV-light exposure.rnSimilar to the thermoresponsive polyacrylamides with azobenzene side groups, poly(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) [P(OEGMA)] polymers with azobenzene end groups showed a LCST shift upon UV-irradiation. These polymers were synthesized by RAFT polymerization using a functional chain transfer agent (CTA). For this, PFP-CTA was used as a RAFT-agent for end group functionalization of (thermoresponsive) polymers. In contrast to the statistically arranged copolymers with azobenzene side groups, P(OEGMA) polymers with terminal azobenzene showed a linear increase of the LCST shifts with increasing amount of chromophore (Delta LCSTmax = 4.3°C). Noteworthy, the chemical nature of the end group exhibited a strong influence on the LCST in the case of short thermoresponsive P(OEGMA) polymers.rnThe investigation on temperature- and lightresponsive polymers was transferred onto block copolymers capable to self-assemble into polymeric micelles. Therefore, PEO-b-PNIPAM block copolymers with azobenzene moieties were synthesized successfully. These polymers showed a “smart” behavior in aqueous solution, as the reversible formation and disruption of the micelles could either be controlled by temperature or using light as a stimulus. The usefulness of these materials was demonstrated by encapsulation of a hydrophobic dye in the core of the micelle. Such materials might have a great potential as a model system for several technical or biological applications.rnFinally, double thermoresponsive block copolymers forming micellar structures in a certain temperature range with functional end groups could successfully be synthesized. These “smart materials” based on POEGMA-b-PNIPMAM have been demonstrated to be very promising for a temperature selective immobilization on a protein surface. This might be a suitable concept for further biological applications.rnConcluding, different thermoresponsive copolymers and block copolymers with lightresponsive moieties arranged along the backbone or located at the chain ends were successfully prepared and investigated. By controlling the nature of functional groups and their respective incorporation ratios, the LCST could be dialed in precisely. Further, the LCST of the polymers could be triggered by light. A light-controlled disruption of micellar structures could be shown for functional block copolymers. The importance of end groups of thermoresponsive polymers was demonstrated by a temperature-controlled protein-polymer binding of a terminal biotin-functionalized double thermoresponsive polymer. The synthetic approaches and the material properties presented here should be promising for further research and applications beyond this dissertation.rn

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Maßgeschneiderte polymerisierbare Tenside zur simultanen Stabilisierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln in der Miniemulsionspolymerisation

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene funktionale, polymerisierbare Tenside (Surfmere) synthetisiert, um unmittelbar und exklusiv die Partikeloberfläche in der Miniemulsionspolymerisation mit der gewünschten Funktion für weitere Anwendungen auszurüsten. Hierdurch ist es möglich, auf konventionelle Tenside, welche bedingt durch ihre Mobilität in einigen Anwendungen zu Schwierigkeiten führen, gänzlich zu verzichten. Zusätzlich bietet der Einsatz von Surfmeren eine höhere Kontrolle über die Lokalisation und Verteilung der Funktionalitäten auf der Partikeloberfläche, im Vergleich zum Einsatz von klassischen Comonomeren. rnThematische Schwerpunkte der Arbeit lagen in der Ausrüstung von Partikeloberflächen mit Haftgruppen (Phosphonsäuren) oder Fluoreszenzmarkern sowie der Aufbringung von Initiatorgruppen über Surfmere zur Synthese von Kern-Schale-Partikeln in einem zweistufigen Prozess. Bei allen neu synthetisierten Surfmeren wurde als polymerisierbare Einheit eine Methacrylamidgruppe gewählt, um Funktionalitätenverlust durch Hydrolyse auszuschließen.rnIm Bereich der Haftgruppen wurde gezeigt, dass der Einsatz von phosphonathaltigen Surfmeren die Kontrolle der Partikelgröße und Funktionalisierungsdichte in weiten Bereichen ermöglicht und langzeitstabile Dispersionen erhalten werden. Die Partikel wurden auf ihre Cytotoxizität und ihre biomimetische Mineralisierbarkeit hin untersucht.rnZum Nachweis der Copolymerisation des Surfmers mit dem Hauptmonomer wurde ein Phosphonsäure-Surfmer mit einem Farbstoff auf Naphthalimidbasis synthetisiert. Dies ermöglichte den Nachweis der Copolymerisation mittels Gelpermeationschromatographie.rnZur Fluoreszenzmarkierung von Partikeloberfläche wurden erstmals Surfmere realisiert, die in der Kopfgruppe eine BODIPY-Einheit, welche in 2 oder 2,6-Position sulfoniert wurde, als Fluorophor tragen. Der Polymerisationsbeweis wurde durch HPLC-Messungen geführt und die Lokalisation auf der Partikeloberfläche durch Quenchungsexperimente verifiziert. rnDes Weiteren wurde ein kationisches Surfmer synthetisiert, welches nahe der Kopfgruppe eine Bromo iso-buttersäureeinheit zur AGET-ATRP-Initiierung trägt und somit potentiell zum Aufbau von Kern-Schale-Morphologien befähigt ist.

Electrochemical surface modification of Single walled carbon nanotubes and graphene-based electrodes for (bio)sensing applications

Sensors are devices that have shown widespread use, from the detection of gas molecules to the tracking of chemical signals in biological cells. Single walled carbon nanotube (SWCNT) and graphene based electrodes have demonstrated to be an excellent material for the development of electrochemical biosensors as they display remarkable electronic properties and the ability to act as individual nanoelectrodes, display an excellent low-dimensional charge carrier transport, and promote surface electrocatalysis. The present work aims at the preparation and investigation of electrochemically modified SWCNT and graphene-based electrodes for applications in the field of biosensors. We initially studied SWCNT films and focused on their topography and surface composition, electrical and optical properties. Parallel to SWCNTs, graphene films were investigated. Higher resistance values were obtained in comparison with nanotubes films. The electrochemical surface modification of both electrodes was investigated following two routes (i) the electrografting of aryl diazonium salts, and (ii) the electrophylic addition of 1, 3-benzodithiolylium tetrafluoroborate (BDYT). Both the qualitative and quantitative characteristics of the modified electrode surfaces were studied such as the degree of functionalization and their surface composition. The combination of Raman, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, electrochemistry and other techniques, has demonstrated that selected precursors could be covalently anchored to the nanotubes and graphene-based electrode surfaces through novel carbon-carbon formation.

Nanopartikel und Nanokapseln als potentielle Wirkstofftransportsysteme : zelluläre Aufnahme in Leukozyten in peripherem Vollblut und in Zellkultur

Nanopartikuläre Wirkstofftransportsysteme besitzen ein großes Potential für therapeutische Anwendungen. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene grundlegende Aspekte, die für das erweiterte biologische Verständnis und die Entwicklung weiterer zielgerichteter Strategien zur Pharmakotherapie mit Nanopartikeln und –kapseln notwendig sind, näher untersucht. Experimente zur zellulären Aufnahmefähigkeit (in vitro und ex vivo) wurden mit verschiedenen Nanopartikeln und –kapseln aus diversen Monomeren und biokompatiblen Makromolekülen in immortalisierten Zellkulturlinien, humanen mesenchymalen Stammzellen und Leukozyten durchgeführt und durchflusszytometrisch sowie mittels konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie analysiert. Die Einflüsse der Oberflächenfunktionalisierungen der nanopartikulären Systeme, deren toxikologische Effekte sowie der Einfluss von adsorbiertem bovinem Serumalbumin auf funktionalisierten Polystyrol-Nanopartikeln wurden in Bezug auf die zelluläre Aufnahme untersucht.Um die multiplen Wechselwirkungen der Nanopartikel mit Bestandteilen des humanen peripheren Vollblutes zu untersuchen, wurde erfolgreich ein durchflusszytometrisches Analyseverfahren in antikoaguliertem peripherem Vollblut (ex vivo) entwickelt. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss von Calcium-komplexierenden Antikoagulanzien zu einer Verringerung und nicht Li-Heparin zu einer Verstärkung der zellulären Aufnahme von funktionalisierten Polystyrol-Nanopartikeln in diversen Leukozyten führt.Für Folsäure-gekoppelte Hydroxyethylstärke-Nanokapseln (Synthese Frau Dr. Grit Baier) konnte ein größenabhängiger selektiver, Folatrezeptor α vermittelter, zellulärer Aufnahmeweg in HeLa-Zellen nachgewiesen werden.Hydrolysierbare, nicht zytotoxische Polyester-Nanopartikel aus Poly(5,6-Benzo-2-methylen-1,3-dioxepan) (Synthese Herr Dr. Jörg Max Siebert) mit eingebettetem Paclitaxel zeigten in HeLa-Zellen eine vergleichbare pharmakologische Wirkung wie kommerziell erhältliche Paclitaxel-Formulierungen.Die in dieser Arbeit eingesetzten Nanopartikel und Nanokapseln besitzen ein vielfältiges Potential als Wirkstofftransportsysteme. Es zeigte sich, dass Unterschiede bei der Größe, der Größenverteilung, des Polymers sowie der Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel bedeutende Unterschiede der Zellaufnahme in diversen Zellkulturlinien (in vitro) und Leukozyten in peripherem Vollblut (ex vivo) zur Folge haben.