Constraints, deuteration, and co-monomers: impacts on the internal structure of poly- (N-isopropylacrylamide) microgels

Brugnoni, Monia; Richtering, Walter (Thesis advisor); Wöll, Dominik (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die Nachahmung der Selbstorganisation und Anpassungsfähigkeit lebender Systeme durch künstliche Materialen ist Gegenstand laufender Forschung in der Nanowissenschaft sowie der Polymerchemie. Eine der Schlüsseleigenschaften lebender Materialien ist die Reaktionsfähigkeit auf Veränderungen in ihrer Umgebung. Stimuli-responsive Polymere bilden eine Gruppe von funktionalen Materialien mit der Fähigkeit auf äußere Veränderungen zu reagieren, was sie zu vielversprechenden Kandidaten in der ‘künstlichen Biologie’ macht. Mikrogele sind vernetzte Polymernetzwerke im kolloidalen Größenbereich. Schaltbare Mikrogele werden häufig als ‘intelligent’ bezeichnet, weil sie auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren können. Ihre Eigenschaften machen sie zu einzigartigen kolloidalen Systemen, die zwischen Makromolekülen, harten Kolloiden und Amphiphilen eingeordnet werden können. Poly(N-isopropylacrylamid) (pNIPAM)-basierte Mikrogele reagieren mit einem Volumenphasenübergang auf Temperaturänderungen. Unterhalb einer Grenztemperatur werden die polymeren Netzwerke durch Wasser gequollen. Es handelt sich dabei um weiche, poröse Mikrogele. Oberhalb dieser Grenztemperatur kollabieren die Netzwerke durch Hinausdrängen von Wasser. Die Mikrogele reduzieren ihre Größe und Weichheit stark und ähneln harten Kolloiden. Die Syntheseprotokolle von Mikrogelen sind sehr variabel. Dies ermöglicht die präzise Einstellung einer Vielzahl von Eigenschaften wie der Übergangstemperatur, Weichheit, Größe, Funktionalitäten, Morphologie und Form.In der vorliegenden Arbeit werden neue Syntheseverfahren verschiedener Mikrogeltypen präsentiert, welche die Untersuchung der Auswirkungen von Begrenzungen, Monomerdeuterierung und verschiedenen Co-Monomeren auf pNIPAM-Mikrogele ermöglicht. Die Morphologien der Mikrogele werden hauptsächlich mittels diverser Streumethoden analysiert. Lichtstreuung sowie Kleinwinkelneutronenstreuung und -röntgenstreuung werden verwendet um die Temperatursensitivität verschiedener Strukturen, wie zum Beispiel von regulär vernetzten, ultra-schwach vernetzten oder hohlen Mikrogelen, zu ermitteln. Doppelt-thermoresponsive Mikrogele ermöglichen die Analyse der Einflüsse verschiedener Begrenzungen auf ein Polymernetzwerk. Außerdem werden Studien über die Auswirkung der Deuterierung von Monomeren auf die Mikrogelstrukturen präsentiert. Darüber hinaus wird die Signifikanz der Kenntnis der relativen Positionen verschiedener Monomere in einem polymeren Netzwerk vorgestellt. Dazu wird ein Verfahren zur Bestimmung und Vorhersage der radialen Co-Monomerverteilung innerhalb von Mikrogelen eingeführt. Schließlich wird die Möglichkeit untersucht, Gastspezies in den Hohlraum von hohlen Mikrogelen einzukapseln, was sie zu potenziellen Kandidaten als Nanocarrier für beispielsweise gezielte Wirkstoffabgabe macht.

Identifikationsnummern

Downloads