Festkörper-NMR an polymeren Kompositmaterialien

In dieser Arbeit wurden polymere Kompositmaterialien mit Hilfe von Festkörper-NMR-Techniken untersucht, um den Einfluß von Polymer-Festkörper-Kontakten auf molekulare Materialeigenschaften zu betrachten. Dabei wurden sowohl Analysen am Polymer als auch am Füllmaterial durchgeführt.rnrnIm ersten Teil der Arbeit wurde die Dynamik von Poly(ethylmethacrylat) (PEMA) in sphärischen Bürstenpartikeln gemessen. Diese Bürsten bestanden aus einem Poly(silsesquioxan)-Kern und verpfropften PEMA-Ketten, die über ATRP (atom transfer radical polymerization) an verschiedenen Kettensequenzen mit 13C an der Carboxylgruppe markiert wurden. Statische 13C-NMR-Messungen konnten zeigen, dass die Dynamik dieser Sequenzen unabhängig vom Abstand zur Oberfläche verlangsamt ist, was auf eine eingeschränkte Reptation zurückgeführt wurde.rnrnDer zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen Unterschieden von Silika-Naturkautschuk-Kompositen, die über mechanisches Mischen bzw. über eine Sol-Gel-Reaktion hergestellt wurden. Durch kinetische 1H-NMR-Messungen wurde der Umsatz der Sol-Gel-Reaktion bestimmt. Mittels heteronuklearen 29Si{1H}-NMR-Korrelationsexperimenten wurde ein direkter räumlicher Kontakt zwischen dem Inneren der Partikel und dem Polymer nachgewiesen. Dies belegt experimentell, dass im Kompositmaterial die Polymerketten in den durch Sol-Gel-Reaktion hergestellten Silikapartikeln eingeschlossen sind.

Modifizierungen des Enzyms Silicatein alpha zur direkten Immobilisierung auf verschiedenen Oberflächen : neuartige Herstellung von Kompositmaterialien unter physiologischen Bedingungen

Das Silicatein α ist ein 24 kDa großes Enzym, welches im Schwamm Suberites domuncula für die Synthese von Biosilikat verantwortlich ist. Vorhergehende Studien haben gezeigt, dass Silicatein auch die Synthese anderer Metalloxide wie Titandioxid, Galliumoxid und Zirkoniumdioxid katalysieren kann. Diese Fähigkeiten machen das Silicatein α für biomedizinische und biotechnologische Anwendungen interessant, da die Synthese unter nahezu physiologischen Bedingungen ablaufen kann, was die Herstellung neuartiger Kompositmaterialien mit einzigartigen Eigenschaften erleichtern würde. Zur Immobilisierung des Silicatein α auf verschiedenen Oberflächen wurde bislang ein Nickel-NTA-Kopolymer eingesetzt. Diese Art der Immobilisierung bietet eine Reihe von Möglichkeiten in der Nanobiotechnologie, stößt aber in der Biomedizin an ihre Grenzen, da sich nicht alle Oberflächen für ein solches Coating eignen. Zudem können die zur Aktivierung des Polymers nötigen Lösungsmittel und die über die Zeit freigesetzten Monomere aus dem Polymergerüst toxische oder mutagene Wirkung auf das umliegende Gewebe haben. Deshalb wurde das Silicatein α in dieser Arbeit mit zwei Affinitäts-Tags so modifiziert, dass es an verschiedene Oberflächen immobilisiert werden kann und dabei seine Aktivität beibehält. Zuerst wurde das Silicatein mit einem Glu-tag am N-terminalen Ende modifiziert. Dadurch gelang die direkte Immobilisierung an Hydroxyapatit und die folgende, enzymkatalysierte Synthese von Biosilikat-Beschichtungen auf diesem Träger. Die Eigenschaften eines solchen HA-Kompositmaterials können zum Beispiel zu einem verbesserten, schnelleren und stabileren Einwachsen von Knochenimplantaten führen, da Biosilikat die Reifung und Differenzierung von Osteoblasten beschleunigt. rnMit dem an Hydroxyapatit-Plättchen immobilisierten Glu-tag-Silicatein wurde ein modifizierter Pull-down Assay etabliert, wodurch bekannte, aber auch bis dahin noch unbekannte Protein-Interaktionspartner identifiziert werden konnten. rnUm zu zeigen, dass der entwickelte Glu-tag an präformierte, calciumhaltige Oberflächen binden kann, wurden die Nadeln des Kalkschwammes Paraleucilla magna als Modellorganismus verwendet. Die Nadeln konnten durch das immobilisierte Silicatein mit einer Titandioxid-Schicht überzogen werden und unter Verwendung des Interaktionspartners Silintaphin-1 konnte diese Beschichtung noch verstärkt werden. Solche CaCO3-Kompositmaterialien könnten sowohl in der Biomedizin als auch in der Biotechnologie zum Einsatz kommen. Neben den erwähnten calciumhaltigen Materialien finden auch andere Stoffe wie TiO2-Nanodrähte Verwendung in der Forschung. In weiterführenden Experimenten konnte gezeigt werden, dass der entwickelte Glu-tag auch Affinität zu Titandioxid-Oberflächen vermittelt. Auch hier konnte durch das oberflächenimmobilisierte Enzym eine Biosilikatbeschichtung synthetisiert werden. rnMit der zweiten Modifikation - einem Cys-tag - konnte Silicatein direkt auf Goldoberflächen immobilisiert werden. Durch die Verwendung eines Polydimethylsiloxan (PDMS)-Stempels wurde das Cys-getaggte Silicatein in einem linienförmigen Muster auf das Gold übertragen und die Synthese von Titandioxid dort nachgewiesen.rnDie Experimente und Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass Silicatein α durch einfache Modifikationen an verschiedene Oberflächen immobilisiert werden kann und dabei immer noch seine Aktivität behält. rnHierdurch ergibt sich die Möglichkeit, unter Normalbedingungen verschiedenste Kompositmaterialien herzustellen.rn

Complex materials via colloidal crystallization

The work presented in this thesis deals with complex materials, which were obtained by self-assembly of monodisperse colloidal particles, also called colloidal crystallization. Two main fields of interest were investigated, the first dealing with the fabrication of colloidal monolayers and nanostructures, which derive there from. The second turned the focus on the phononic properties of colloidal particles, crystals, and glasses. For the fabrication of colloidal monolayers a method is introduced, which is based on the sparse distribution of dry colloidal particles on a parent substrate. In the ensuing floating step the colloidal monolayer assembles readily at the three-phase-contact line, giving a 2D hexagonally ordered film under the right conditions. The unique feature of this fabrication process is an anisotropic shrinkage, which occurs alongside with the floating step. This phenomenon is exploited for the tailored structuring of colloidal monolayers, leading to designed hetero-monolayers by inkjet printing. Furthermore, the mechanical stability of the floating monolayers allows the deposition on hydrophobic substrates, which enables the fabrication of ultraflat nanostructured surfaces. Densely packed arrays of crescent shaped nanoparticles have also been synthesized. It is possible to stack those arrays in a 3D manner allowing to mutually orientate the individual layers. In a step towards 3D mesoporous materials a methodology to synthesize hierarchically structured inverse opals is introduced. The deposition of colloidal particles in the free voids of a host inverse opal allows for the fabrication of composite inverse opals on two length scales. The phononic properties of colloidal crystals and films are characterized by Brillouin light scattering (BLS). At first the resonant modes of colloidal particles consisting of polystyrene, a copolymer of methylmethacrylate and butylacrylate, or of a silica core-PMMA shell topography are investigated, giving insight into their individual mechanical properties. The infiltration of colloidal films with an index matching liquid allows measuring the phonon dispersion relation. This leads to the assignment of band gaps to the material under investigation. Here, two band gaps could be found, one originating from the fcc order in the colloidal crystal (Bragg gap), the other stemming from the vibrational eigenmodes of the colloidal particles (hybridization gap).

Polymer-nanoparticle composites: from orientation phenomena to optoelectronic applications

Polymer-nanoparticle hybrids show synergistic effects, demonstrating both, the unique properties of nanosized structures and the good processability and functionalities of polymeric materials. This work shows the synthesis and application of block copolymers containing a soluble, functional block and a short anchor block, which efficiently binds to the surface of nanocrystals. We functionalized anisotropic, semiconducting nanoparticles, which can be dissolved in organic and polymeric matrices upon modification. The modified nanorods have the ability to form liquid crystalline phases, which behave similar to low molecular liquid crystals with a reversible clearing behaviour. These liquid crystalline phases could also be obtained in hole conducting matrices. For a macroscopic orientation of the nanorods, electric fields were applied and a switching (in analogy to known liquid crystals) to a homeotropic orientation was observed.rnBy introduction of dye molecules in the anchor block of a hole conducting block copolymer, all essential components of a solar cell can be combined in a single particle. Light absorption of the dye induces the injection of electrons into the particles, followed by a charging, that was monitored by a special AFM technique.rnLight emitting nanocrystals were functionalized analogously with a hole transporting polymer. The stability of the particles could be enhanced by the sterically stabilizing polymer corona and the particles showed improved properties in terms of processing. We applied these hybrid materials in light emitting devices, which showed better characteristics due to an improved hole injection and well dispersed emitting particles in the active device layer.rnThe work shows the broad spectrum of properties and applications based on the synergistic effects in hybrid and composite materials.

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

Einfluss von relativer Luftfeuchtigkeit und Applikationszeit auf die Dentinhaftkraft von sechs verschiedenen Adhäsivsystemen

Einleitung und Ziel: Das Arbeiten mit Adhäsivsystemen und Kompositmaterialien ist techniksensitiv und oft auch zeitaufwändig. Adhäsivsysteme und Kompositmaterialien sind feuchtigkeitsanfällig, weswegen die Verwendung eines Kofferdams von den Herstellern empfohlen wird - nicht nur, um während des Arbeitens mit Adhäsivsystemen und Kompositmaterialien die Gefahr einer Blut- oder Speichelkontamination zu minimieren sondern auch, um die hohe relative Luftfeuchtigkeit in der Mundhöhle auf die Luftfeuchtigkeit der Umgebung zu reduzieren. Abgesehen davon bestehen viele Adhäsivsysteme aus mehreren Applikationsschritten und diese Applikationsschritte weisen jeweils von den Herstellern genau angegebene Applikationszeiten auf. Je nach Adhäsivsystem erscheinen diese Applikationszeiten relativ lang und im klinischen Alltag kann die Gefahr bestehen, dass es zu einer Reduktion der vom Hersteller angegeben Applikationszeiten kommt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sowohl erhöhte relative Luftfeuchtigkeit als auch reduzierte Applikationszeiten die Dentinhaftkraft von Adhäsivsystemen negativ beeinflussen. Das Ziel dieser Studie war folglich, den Einfluss von relativer Luftfeuchtigkeit und Applikationszeit auf die Dentinhaftkraft von sechs verschiedenen Adhäsivsystemen zu untersuchen. Material und Methoden: Insgesamt 360 extrahierte menschliche Molaren ohne Füllungen und/oder Karies wurden verwendet (n=15 pro Gruppe; 24 Gruppen). Die Molaren wurden gereinigt und von okklusal bis ins mittlere Zahnkronendentin plangeschliffen. Die plangeschliffenen Molaren wurden anschliessend in selbsthärtendem Kunststoff eingebettet. Danach wurden die Oberflächen des Zahnkronendentins mit einem von sechs Adhäsivsystemen behandelt und Komposit (Filtek Z250; 3M ESPE) in Form eines Zylinders appliziert. Die sechs Adhäsivsysteme umfassten: 1) Syntac Classic (Ivoclar Vivadent), 2) OptiBond FL (Kerr), 3) Clearfil SE Bond (Kuraray), 4) AdheSE (Ivoclar Vivadent), 5) Xeno Select (DENTSPLY DeTrey) sowie 6) Scotchbond Universal (3M ESPE). Die Applikation des Adhäsivsystems und des Kompositzylinders wurde unter vier experimentellen Bedingungen durchgeführt. Die vier experimentellen Bedingungen wurden in einer modifizierten Handschuhbox erstellt (Abb. 1; CSL-GB24, Cleaver Scientific, Rugby, Grossbritannien) und umfassten: a) relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung (~45%) und Applikationszeit gemäss Herstellerangaben, b) relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung (~45%) und reduzierte Applikationszeit, c) erhöhte relative Luftfeuchtigkeit (≥85%) und Applikationszeit gemäss Herstellerangaben sowie d) erhöhte relative Luftfeuchtigkeit (≥85%) und reduzierte Applikationszeit. Nach 24 Stunden Lagerung wurden die auf Dentin applizierten Kompositzylinder in einer Universalprüfmaschine (Abb. 2; zwicki Z1.0 TN, Zwick, Ulm, Deutschland) mittels Scherkrafttest belastet (Traversengeschwindigkeit: 1 mm/min) und so die Haftkraftwerte bestimmt. Die Haftkraftwerte wurden anschliessend mit einer nichtparametrischen Varianzanalyse statistisch analysiert, gefolgt von Kruskal-Wallis- und Mann Whitney U-Tests sowie einer Bonferroni-Holm Korrektur für multiples Testen. Das Signifikanzniveau wurde auf α = 0.05 festgelegt. Resultate: Erhöhte relative Luftfeuchtigkeit sowie reduzierte Applikationszeit hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Haftkraft von zwei der sechs untersuchten Adhäsivsysteme (Clearfil SE Bond und Scotchbond Universal; p = 1.00). Die Haftkraft der anderen vier Adhäsivsysteme (Syntac Classic, OptiBond FL, AdheSE und Xeno Select) wurde durch eine reduzierte Applikationszeit nicht signifikant beeinflusst (p ≥ 0.403). Allerdings reduzierte eine erhöhte relative Luftfeuchtigkeit (ungeachtet der Applikationszeit) die Haftkraft von Syntac Classic, OptiBond FL und Xeno Select signifikant (p ≤ 0.003). Eine erhöhte relative Luftfeuchtigkeit reduzierte die Haftkraft von AdheSE nur dann signifikant, wenn das Adhäsivsystem mit Applikationszeit gemäss Herstellerangaben verwendet wurde (p = 0.002). Hinsichtlich Unterschiede in der Haftkraft zwischen den sechs Adhäsivsystemen zeigte sich, dass OptiBond FL und Scotchbond Universal generell (sprich ungeachtet der vier experimentellen Bedingungen) die höchste Haftkraft erzielten. Von den anderen vier Adhäsivsystemen wurde Clearfil SE Bond am wenigsten durch erhöhte relative Luftfeuchtigkeit oder reduzierte Applikationszeit beeinflusst und zeigte zwar niedrigere Haftkraftwerte im Vergleich zu OptiBond FL und Scotchbond Universal dafür aber die konstanteste Haftkraft unter allen vier experimentellen Bedingungen. Schlussfolgerung: Die Dentinhaftkraft von zwei der sechs untersuchten Adhäsivsysteme (Clearfil SE Bond und Scotchbond Universal) wurde weder durch erhöhte relative Luftfeuchtigkeit noch durch reduzierte Applikationszeiten beeinflusst. Die Haftkraft der anderen vier Adhäsivsysteme wurde vor allem durch eine erhöhte relative Luftfeuchtigkeit negativ beeinflusst, grossmehrheitlich aber nicht durch eine reduzierte Applikationszeit. Klinisch ist daher die Kontrolle und Reduktion der relativen Luftfeuchtigkeit durch die Verwendung eines Kofferdams sehr zu empfehlen. Obwohl diese Studie gezeigt hat, dass reduzierte Applikationszeiten einen weniger starken, negativen Einfluss auf die Haftkraft haben, ist es trotzdem angezeigt, die Gebrauchsanleitungen der Adhäsivsysteme zu befolgen und sich an die Herstellerangaben zu halten.