Drug delivery, entry and intracellular trafficking of polymeric nanoparticles

Polymere Nanopartikel sind kleine Teilchen, die vielseitige Einsatzmöglichkeiten für den Transport von Wirkstoffen bieten. Da Nanomaterialien in diesen biomedizinischen Anwendungen oft mit biologischen Systemen in Berührung kommen, erfordert das eine genaue Untersuchung ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen. In diesem speziellen Forschungsgebiet, welches sich auf die Interaktionen von Nanomaterialien mit biologischen Komponenten konzentriert, wurde bereits eine Vielzahl verschiedener Nanopartikel-Zell-Interaktionen (z. B. Nanotoxizität, Wirkstofftransport-mechanismen) analysiert. Bezüglich der Untersuchungen zu nanopartikulären Wirkstofftransport-mechanismen ist es im Allgemeinen akzeptiert, dass ein erfolgreicher zellulärer Transport hauptsächlich von der Aufnahme des Nanotransporters abhängt. Deshalb analysieren wir in dieser Arbeit (1) den Wirkstofftransportmechanismus für biologisch-abbaubare eisenhaltige Poly-L-Milchsäure Nanopartikel (PLLA-Fe-PMI) sowie (2) die Aufnahmemechanismen und die intrazellulären Transportwege von nicht-abbaubaren superparamagnetischen Polystyrolnanopartikeln (SPIOPSN). rnIn dieser Arbeit identifizieren wir einen bisher unbekannten und nicht-invasiven Wirkstoff-transportmechanismus. Dabei zeigt diese Studie, dass der subzelluläre Transport der nanopartikulärer Fracht nicht unbedingt von einer Aufnahme der Nanotransporter abhängt. Der identifizierte Arzneimitteltransportmechanismus basiert auf einem einfachen physikochemischen Kontakt des hydrophoben Poly-L-Milchsäure-Nanopartikels mit einer hydrophoben Oberfläche, wodurch die Freisetzung der nanopartikulären Fracht ausgelöst wird. In Zellexperimenten führt die membranvermittelte Freisetzung der nanopartikulären Fracht zu ihrem sofortigen Transport in TIP47+- und ADRP+- Lipidtröpfchen. Der Freisetzungsmechanismus („kiss-and-run") kann durch die kovalente Einbindung des Frachtmoleküls in das Polymer des Nanopartikels blockiert werden.rnWeiterhin wird in Langzeitversuchen gezeigt, dass die Aufnahme der untersuchten polymeren Nanopartikel von einem Makropinozytose-ähnlichen Mechanismus gesteuert wird. Im Laufe dieser Arbeit werden mehrere Faktoren identifiziert, die in diesem Aufnahmemechanismus eine Rolle spielen. Darunter fallen unter anderem die kleinen GTPasen Rac1 und ARF1, die die Aufnahme von SPIOPSN beeinflussen. Darauffolgend werden die intrazellulären Transportwege der Nanopartikel untersucht. Mit Hilfe eines neuartigen Massenspektrometrieansatzes wird der intrazelluläre Transport von nanopartikelhaltigen endozytotischen Vesikeln rekonstruiert. Intensive Untersuchungen identifizieren Marker von frühen Endosomen, späten Endosomen/ multivesikulären Körpern, Rab11+- Endosomen, Flotillin-Vesikeln, Lysosomen und COP-Vesikeln. Schließlich wird der Einfluss des lysosomalen Milieus auf die Proteinhülle der Nanopartikel untersucht. Hier wird gezeigt, dass die adsorbierte Proteinhülle auf den Nanopartikeln in die Zelle transportiert wird und anschließend im Lysosom abgebaut wird. rnInsgesamt verdeutlicht diese Arbeit, dass die klassische Strategie des nanopartikulären und invasiven Wirkstofftransportmechanismuses überdacht werden muss. Weiterhin lässt sich aus den Daten schlussfolgern, dass polymere Nanopartikel einem atypischen Makropinozytose-ähnlichen Aufnahmemechanismus unterliegen. Dies resultiert in einem intrazellulären Transport der Nanopartikel von Makropinosomen über multivesikuläre Körperchen zu Lysosomen.rn

Synthese und Charakterisierung von HPMA-stabilisierten Kolloiden sowie deren Evaluierung in vitro und in vivo

Nanodimensionale Wirkstoff-Trägersysteme sind in der Lage, sowohl die Bioverfügbarkeit als auch das pharmakokinetische Profil von Wirkstoffen drastisch zu verbessern. Hauptgründe dafür sind eine erhöhte Plasma-Halbwertszeit durch die größenbedingte verminderte renale Ausscheidung und eine gesteigerte Anreicherung im Tumorgewebe durch den EPR-Effekt. Diese Arbeit beschreibt die Synthese und Entwicklung neuer kolloidaler Wirkstoff-Trägersysteme, welche biokompatibel, teilweise bioabbaubar und funktionalisierbar sind. Ein Fluoreszenzfarbstoff wurde als hydrophobes Wirkstoffmodell eingekapselt. Wohldefinierte, eng verteilte und funktionalisierbare HPMA-basierte Block- und statistische Copolymere unterschiedlicher Molekulargewichte (10-25 kDa) und hydrophiler/hydrophober Zusammensetzung (10-50 mol%) wurden mittels RAFT- Polymerisation in Kombination mit dem Reaktivesteransatz hergestellt und in Miniemulsionsprozesse eingesetzt, um ihre Stabilisierungseffizienz zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die kleineren Copolymere (10 kDa) mit einem Einbau von 10 mol% LMA, sowohl im Modellsystem Polystyrol, als auch im bioabbaubaren PDLLA-System, besonders geeignet sind und ergaben monodisperse Kolloide im Größenbereich von 100 bis 300 nm. Die kolloidalen Systeme zeigten keine Wirkung auf die Zellviabilität. In Folge dessen wurde das Aggregationsverhalten in humanem Blutserum mittels DLS untersucht, wobei keine Interaktion mit Blutbestandteilen festgestellt werden konnte. Zellaufnahmestudien wurden an HeLa-Zellen durchgeführt, um das Schicksal der Kolloide in vitro zu untersuchen. Dabei wurden Kernmaterial, Hülle und das hydrophobe Wirkstoffmodell durch unterschiedliche Fluoreszenzmarkierung getrennt betrachtet. Das hydrophobe Wirkstoffmodell wurde allein durch Interaktion der Kolloide mit den Zellen übertragen, was für eine diffusionsbedingte, initiale, aber unspezifische Freisetzung spricht. Eine solche Freisetzungskinetik kann durch Verwendung von Nitroglycerin, als vasodilatierender Wirkstoff mit geringer unspezifischer Wirkung, ausgenutzt werden, um den EPR-Effekt zu unterstützen. Die Aufnahme des Partikels hingegen geschieht zeitverzögert. Das Schicksal der Kolloide (sowohl des Kern- und desrnHüllmaterials) wurde durch doppelte Fluoreszenzmarkierung untersucht. Dabei kam es zu einer intrazellulären Ablösung der stabilisierenden Block-Copolymere zwischen 8 und 24 h. Nach Aufklärung der Aufnahme- und Freisetzungskinetiken wurde nun die Körperverteilung der PS- und PDLLA-Kolloide nach 18F-Markierung mittels PET und ex vivo-Biodistributiosstudien untersucht. Dabei hatte das Kernmaterial einen Einfluss auf die Körperverteilung. PET-Studien in Mäusen zeigten, dass die stabilisierenden Block-Copolymere beider Kolloide ein starkes Signal in der Niere geben, wobei das der PS-Kolloide weiter ausgeprägt war. Darüber hinaus war eine Anreicherung dieser in Lunge, Leber und Milz festzustellen. Die Verdrängung der stabilisierenden Polymere durch die Interaktion mit Blutbestandteilen erklärt dabei das erhöhte Nieren- und Blasensignal der PS- Kolloide. Das Anreicherungsmuster der PDLLA-Kolloide hingegen zeigte neben der Nierenakkumulation eine erhöhte Blutaktivität und somit die gewünschten langzirkulierenden Eigenschaften. Diese Ergebnisse konnten auch mittels ex vivo- Biodistributionsstudien bestätigt werden. Um die Tumoranreicherung weiter zu verbessern wurde die Verwendung von Folat als Erkennungsstruktur am einfachen HPMA-Polymer untersucht. Die Konjugate zeigten eine erhöhte Anreicherung im Vergleich zu den Polymeren ohne Erkennungsstrukturen. Blockadestudien bestätigten die Selektivität der Anreicherung. Diese Daten zeigen das Potential der Folat-Erkennungsstruktur in vivo innerhalb kurzer Zeitfenster, welche nun auf kolloidale Systeme übertragen werden kann.

The dynamics of ultra-thin polymer films in different confinements studied by resonance enhanced dynamic light scattering

Die Kontroverse über den Glasübergang im Nanometerbereich, z. B. die Glas¬über¬gangs-temperatur Tg von dünnen Polymerfilmen, ist nicht vollständig abgeschlossen. Das dynamische Verhalten auf der Nanoskala ist stark von den einschränkenden Bedingungen abhängig, die auf die Probe wirken. Dünne Polymerfilme sind ideale Systeme um die Dynamik von Polymerketten unter der Einwirkung von Randbedingungen zu untersuchen, wie ich sie in dieser Arbeit variiert habe, um Einblick in dieses Problem zu erhalten.rnrnResonanzverstärkte dynamische Lichtstreuung ist eine Methode, frei von z.B. Fluoreszenzmarkern, die genutzt werden kann um in dünnen Polymerfilmen dynamische Phänomene

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Assessment of marine litter in the Western Adriatic Sea and its impact on marine biota

Due to its environmental, safety, health and socio-economic impacts, marine litter has been recognized as a 21st century global challenge, so that it has been included in Descriptor 10 of the EU MSFD. For its morphological features and anthropogenic pressures, the Adriatic Sea is very sensitive to the accumulation of debris, but data are inconsistent and fragmented. This thesis, in the framework of DeFishGear project, intents to assess marine litter on beaches and on seafloor in the Western Adriatic sea, and test if debris ingestion by fish occurs. Three beaches were sampled during two surveys in 2015. Benthic litter monitoring was carried out in the FAO GSA17 during fall 2014, using a rapido trawl. Litter ingestion was investigated through gut contents analysis of 260 fish belonging to 8 commercial species collected in Western Gulf of Venice. Average litter density on beaches was 1.5 items/m2 during spring, and decreased to 0.8 items/m2 in summer. Litter composition was heterogeneous and varied among sites, even if no significant differences were found. Most of debris consisted of plastic sheets, fragments, polystyrene pieces, mussels nets and cottons bud sticks, showing that sources are many and include aquaculture, land-based activities and local users of beaches. Average density of benthic litter was 913 items/Km2 (82 Kg/Km2). Plastic dominated in terms of numbers and weight, and consisted mainly of bags, sheets and mussel nets. The highest density was found close to the coast, and sources driving the major differences in litter distribution were mussel farms and shipping lanes. Litter ingestion occurred in 47% of examined fish, mainly consisting of fibers. Among species, S. pilchardus swallowed almost all debris categories. Findinds may provide a baseline to set the necessary measures to manage and minimize marine litter in the Western Adriatic region and to protect aquatic life from plastic pollution, even accounting the possible implications on human health.

Macrophages and dendritic cells express tight junction proteins and exchange particles in an in vitro model of the human airway wall

The human airway epithelium serves as structural and functional barrier against inhaled particulate antigen. Previously, we demonstrated in an in vitro epithelial barrier model that monocyte derived dendritic cells (MDDC) and monocyte derived macrophages (MDM) take up particulate antigen by building a trans-epithelial interacting network. Although the epithelial tight junction (TJ) belt was penetrated by processes of MDDC and MDM, the integrity of the epithelium was not affected. These results brought up two main questions: (1) Do MDM and MDDC exchange particles? (2) Are those cells expressing TJ proteins, which are believed to interact with the TJ belt of the epithelium to preserve the epithelial integrity? The expression of TJ and adherens junction (AJ) mRNA and proteins in MDM and MDDC monocultures was determined by RT-PCR, and immunofluorescence, respectively. Particle uptake and exchange was quantified by flow cytometry and laser scanning microscopy in co-cultures of MDM and MDDC exposed to polystyrene particles (1 μm in diameter). MDM and MDDC constantly expressed TJ and AJ mRNA and proteins. Flow cytometry analysis of MDM and MDDC co-cultures showed increased particle uptake in MDDC while MDM lost particles over time. Quantitative analysis revealed significantly higher particle uptake by MDDC in co-cultures of epithelial cells with MDM and MDDC present, compared to co-cultures containing only epithelial cells and MDDC. We conclude from these findings that MDM and MDDC express TJ and AJ proteins which could help to preserve the epithelial integrity during particle uptake and exchange across the lung epithelium.

Biomechanical effects of environmental and engineered particles on human airway smooth muscle cells

The past decade has seen significant increases in combustion-generated ambient particles, which contain a nanosized fraction (less than 100 nm), and even greater increases have occurred in engineered nanoparticles (NPs) propelled by the booming nanotechnology industry. Although inhalation of these particulates has become a public health concern, human health effects and mechanisms of action for NPs are not well understood. Focusing on the human airway smooth muscle cell, here we show that the cellular mechanical function is altered by particulate exposure in a manner that is dependent upon particle material, size and dose. We used Alamar Blue assay to measure cell viability and optical magnetic twisting cytometry to measure cell stiffness and agonist-induced contractility. The eight particle species fell into four categories, based on their respective effect on cell viability and on mechanical function. Cell viability was impaired and cell contractility was decreased by (i) zinc oxide (40-100 nm and less than 44 microm) and copper(II) oxide (less than 50 nm); cell contractility was decreased by (ii) fluorescent polystyrene spheres (40 nm), increased by (iii) welding fumes and unchanged by (iv) diesel exhaust particles, titanium dioxide (25 nm) and copper(II) oxide (less than 5 microm), although in none of these cases was cell viability impaired. Treatment with hydrogen peroxide up to 500 microM did not alter viability or cell mechanics, suggesting that the particle effects are unlikely to be mediated by particle-generated reactive oxygen species. Our results highlight the susceptibility of cellular mechanical function to particulate exposures and suggest that direct exposure of the airway smooth muscle cells to particulates may initiate or aggravate respiratory diseases.

Synthesis of Macrocyclic Polymers Formed via Intramolecular Radical Trap-Assisted Atom Transfer Radical Coupling

The synthesis of cyclic polystyrene (Pst) with an alkoxyamine functionality has been accomplished by intramolecular radical coupling in the presence of a nitroso radical trap Linear alpha,omega-dibrominated polystyrene, produced by the atom transfer radical polymerization (ATRP) of styrene using a dibrominated initiator, was subjected to chain-end activation via the atom transfer radical coupling (ATRC) process under pseudodilute conditions in the presence of 2-methyl-2-nitrosopropane (MNP). This radical trap-assisted, intramolecular ATRC (RTA-ATRC) produced cyclic polymers in greater than 90% yields possessing < G > values in the 0.8-0.9 range as determined by gel permeation chromatography (GPC). Thermal-induced opening of the cycles, made possible by the incorporated alkoxyamine, resulted in a return to the original apparent molecular weight, further supporting the formation of cyclic polymers in the RTA-ATRC reaction. Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) provided direct confirmation of the cyclic architecture and the incorporation of the nitroso group into the macrocycle RTA-ATRC cyclizations carried out with faster rates of polymer addition into the redox active solution and/or in the presence of a much larger excess of MNP (up to a 250:1 ratio of MNP:C-Br chain end) still yielded cyclic polymers that contained alkoxyamine functionality.

One Pot, Two Step Sequence Converting Atom Transfer Radical Polymerization Directly to Radical Trap-Assisted Atom Transfer Radical Coupling

Monobrominated polystyrene (PStBr) chains were prepared using standard atom transfer radical polymerization (ATRP) procedures at 80 °C in THF, with monomer conversions allowed to proceed to approximately 40%. At this time, additional copper catalyst, reducing agent, and ligand were added to the unpurified reaction mixture, and the reaction was allowed to proceed at 50 °C in an atom transfer radical coupling (ATRC) phase. During this phase, polymerization continued to occur as well as coupling; expected due to the substantial amount of residual monomer remaining. This was confirmed using gel permeation chromatography (GPC), which showed increases in molecular weight not matching a simple doubling of the PStBr formed during ATRP, and an increase in monomer conversion after the second phase. When the radical trap 2-methyl-2-nitrosopropane (MNP) was added to the ATRC phase, no further monomer conversion occurred and the resulting product showed a doubling of peak molecular weight (Mp), consistent with a radical trap-assisted ATRC (RTA-ATRC) reaction.

Selective Formation of Diblock Copolymers Using Radical Trap-Assisted Atom Transfer Radical Coupling

Polystyrene (PSt) radicals and poly(methyl acrylate) (PMA) radicals, derived from their monobrominated precursors prepared by atom transfer radical polymerization (ATRP), were formed in the presence of the radical trap 2-methyl-2-nitrosopropane (MNP), selectively forming PSt-PMA diblock copolymers with an alkoxyamine at the junction between the block segments. This radical trap-assisted, atom transfer radical coupling (RTA-ATRC) was performed in a single pot at low temperature (35 °C), while analogous traditional ATRC reactions at this temperature, which lacked the radical trap, resulted in no observed coupling and the PStBr and PMABr precursors were simply recovered. Selective formation of the diblock under RTA-ATRC conditions is consistent with the PStBr and PMABr having substantially different KATRP values, with PSt radicals initially being formed and trapped by the MNP and the PMA radicals being trapped by the in situ-formed nitroxide end-capped PSt. The midchain alkoxyamine functionality was confirmed by thermolysis of the diblock copolymer, resulting in recovery of the PSt segment and degradation of the PMA block at the relatively high temperatures (125 °C) required for thermal cleavage. A PSt-PMA diblock formed by chain extenstion ATRP using PStBr as the macroinitiator (thus lacking the alkoxyamine between the PSt-PMA segements) was inert to thermolysis. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2013, 51, 3619–3626

One Pot, Two Step Sequence Converting Atom Transfer Radical Polymerization Directly to Radical Trap-Assisted Atom Transfer Radical Coupling

Monobrominated polystyrene (PStBr) chains were prepared using standard atom transfer radical polymerization (ATRP) procedures at 80 degrees C in THF, with monomer conversions allowed to proceed to approximately 40%. At this time, additional copper catalyst, reducing agent, and ligand were added to the unpurified reaction mixture, and the reaction was allowed to proceed at 50 degrees C in an atom transfer radical coupling (ATRC) phase. During this phase, polymerization continued to occur as well as coupling; expected due to the substantial amount of residual monomer remaining. This was confirmed using gel permeation chromatography (GPC), which showed increases in molecular weight not matching a simple doubling of the PStBr formed during ATRP, and an increase in monomer conversion after the second phase. When the radical trap 2-methyl-2-nitrosopropane (MNP) was added to the ATRC phase, no further monomer conversion occurred and the resulting product showed a doubling of peak molecular weight (M-p), consistent with a radical trap-assisted ATRC (RTA-ATRC) reaction. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Selective Formation of Diblock Copolymers Using Radical Trap-Assisted Atom Transfer Radical Coupling

Polystyrene (PSt) radicals and poly(methyl acrylate) (PMA) radicals, derived from their monobrominated precursors prepared by atom transfer radical polymerization (ATRP), were formed in the presence of the radical trap 2-methyl-2-nitrosopropane (MNP), selectively forming PSt-PMA diblock copolymers with an alkoxyamine at the junction between the block segments. This radical trap-assisted, atom transfer radical coupling (RTA-ATRC) was performed in a single pot at low temperature (35 degrees C), while analogous traditional ATRC reactions at this temperature, which lacked the radical trap, resulted in no observed coupling and the PStBr and PMABr precursors were simply recovered. Selective formation of the diblock under RTA-ATRC conditions is consistent with the PStBr and PMABr having substantially different K-ATRP values, with PSt radicals initially being formed and trapped by the MNP and the PMA radicals being trapped by the in situ-formed nitroxide end-capped PSt. The midchain alkoxyamine functionality was confirmed by thermolysis of the diblock copolymer, resulting in recovery of the PSt segment and degradation of the PMA block at the relatively high temperatures (125 degrees C) required for thermal cleavage. A PSt-PMA diblock formed by chain extenstion ATRP using PStBr as the macroinitiator (thus lacking the alkoxyamine between the PSt-PMA segements) was inert to thermolysis. (c) 2013 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2013, 51, 3619-3626

The Effects of Pi-Pi Stacking on the Controlled Radical Polymerization of Vinyl Aromatics

The atom transfer radical polymerization (ATRP) of styrene (St) was conducted in the presence of varying equivalence (eq) of hexafluorobenzene (HFB) and octafluorotoluene (OFT) to probe the effects of pi-pi stacking on the rate of the polymerization and on the tacticity of the resulting polystyrene (PSt). The extent of the pi-pi stacking interaction between HFB/OFT and the terminal polystyrenic phenyl group was also investigated as a function of solvent, both non-aromatic solvents (THF and hexanes) and aromatic solvents (benzene and toluene). In all cases the presence of HFB or OFT resulted in a decrease in monomer conversion indicating a reduction in the rate of the polymerization with greater retardation of the rate with increase eq of HFB or OFT (0.5 eq to 1 eq HFB/OFT compared to St). Additionally, when aromatic solvents were used instead of non-aromatic solvents the effect of the HFB/OFT on the rate was minimized, consistent with the aromatic solvent competitively interacting with the HFB/OFT. The effects of temperature and ligand strength on the ATRP of St in the presence of HFB were also probed. It was found that when using N,N,N’,N’,N’’-pentamethyldiethylenetriamine (PMDETA) as the ligand the effects of HFB at 38o were the same as at 86oC. When tris[2-(dimethylamino)ethyl]-amine (Me6TREN) was used as the ligand at 38o there was a decrease in monomer conversion similar to the analogous PMDETA reaction. When the polymerization was conducted at 86oC there was no effect on the monomer conversion with HFB present compared to when HFB was absent. To investigate the pi-pi stacking effect even further, the reverse pi-pi stacking system was observed by conducting the ATRP of pentafluorostyrene (PFSt) in the presence of varying eq of benzene and toluene, which in both cases resulted in an increase in monomer conversion compared to when benzene or toluene were absent; in summary the rate of the ATRP of PFSt increases when benzene or toluene waas present in the reaction. The pi-pi stacking interaction between the HFB/OFT and the dormant alkyl bromide of the polymer chain was verified by 1H-NMR with 1-bromoethylbenzene as the alkyl bromide. Also verified by 1H-NMR was the interaction between HFB/OFT and St and the interaction between PFSt and benzene. In all 1H-NMR spectra a perturbation in the aromatic and/or vinyl peaks was observed when the pi-pi stacking agent was present compared to when it was absent. The tacticity of the PSt formed in the presence of 1 eq of HFB was compared to the PSt formed in the absence of HFB by observing the C1 signal in their 13C-NMR spectra, but no change in shape or chemical shift of the signal was observed indicating that there was no change in tacticity.

Solid-State Compatibilization of Immiscible Polymer Blends: Cryogenic Milling and Solid-State Shear Pulverization

The blending of common polymers allows for the rapid and facile synthesis of new materials with highly tunable properties at a fraction of the costs of new monomer development and synthesis. Most blends of polymers, however, are completely immiscible and separate into distinct phases with minimal phase interaction, severelydegrading the performance of the material. Cross-phase interactions and property enhancement can be achieved with these blends through reactive processing or compatibilizer addition. A new class of blend compatibilization relies on the mechanochemical reactions between polymer chains via solid-state, high energy processing. Two contrasting mechanochemical processing techniques are explored in this thesis: cryogenic milling and solid-state shear pulverization (SSSP). Cryogenic milling is a batch process where a milling rod rapidly impacts the blend sample while submerged within a bath of liquid nitrogen. In contrast, SSSP is a continuous process where blend components are subjected to high shear and compressive forces while progressing down a chilled twin-screw barrel. In the cryogenic milling study, through the application of a synthesized labeledpolymer, in situ formation of copolymers was observed for the first time. The microstructures of polystyrene/high-density polyethylene (PS/HDPE) blends fabricated via cryomilling followed by intimate melt-state mixing and static annealing were found to be morphologically stable over time. PS/HDPE blends fabricated via SSSP also showed compatibilization by way of ideal blend morphology through growth mechanisms with slightly different behavior compared to the cryomilled blends. The new Bucknell University SSSP instrument was carefully analyzed and optimized to produce compatibilized polymer blends through a full-factorial experiment. Finally, blends of varying levels of compatibilization were subjected to common material tests to determine alternative means of measuring and quantifying compatibilization,

Synthesis of Mid-Chain Functionalized Polymers

Polymers with mid-chain alkoxyamine functionality were synthesized by activating monohalogenated polymers in the presence of nitroso or nitrone radical traps. The resulting polymers were either polystyrene (PSt) homopolymers with a mid-chain alkoxyamine or PSt-poly(methyl acrylate) (PMA) diblock copolymers with an alkoxyamine unit at the junction between the segments. Monohalogenated polymers where synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) and were then reacted to form polymer radicals in the presence of a radical trap, nitrone or nitroso. When only polystyrene radicals were reacted with the radical trap a dimer was formed with an alkoxyamine functionality in the center of the polymer chain. This functionality allowed the polymer chain to be cleaved in order to visualize the extent of the alkoxyamine functionality incorporation into the polymer chains. It was found that near quantitative alkoxyamine mid-chain functionality could be achieved by activating the PStBr in the presence of 10 equivalents of nitrone, 5 equivalents of copper bromide, and 2 equivalents of copper metal. Further reducing the amount of copper metal led to incomplete coupling, while increasing the equivalents beyond 2 generated polymer dimers with less than quantitative mid-chain functionality. Monochlorinated polystyrene (PStCl) precursors gave much poorer coupling results compared to reactions with PStBr, which is consistent with the stronger C-Cl bond resisting activation and the formation of the polystyryl radicals. When poly (methyl acrylate) (PMABr) is reacted with PStBr in the presence of a nitroso group at reduced temperatures (30 oC) block copolymers were selectively formed with an alkoxyamine functionality in the center. This was done by first activating the PSt-Br to form a polymer radical that would react with the radical trap to form a persistent radical on the oxygen. The PMA-Br, once activated, reacted with the radical on the oxygen to form the block copolymer. To test the amount of functionality incorporated, a coupling reaction was performed with no nitroso present, and found that no reaction occurred. This showed that the radical trap is essential for the coupling to occur, and cleavage of the diblock indicated that the alkoxyamine functionality was indeed incorporated into the diblock.