Polyelectrolyte microgels with controlled number and distribution of charges : from synthesis to application

• Polyelektrolytische Mikrogele mit kontrollierter Anzahl und Verteilung von Ladungen: Von Synthese bis zur Anwendung

Xu, Wenjing; Pich, Andrij (Thesis advisor); Richtering, Walter (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die Forschung an Mikrogelen konzentriert sich mehr denn je auf die Beherrschung immer komplexerer molekularer Strukturen und Superstrukturen. Die Studien zielen auf neuartige Eigenschaften, mehrfache Reaktionsfähigkeit und gezielte Anwendung in verschiedenen Bereichen ab. In dieser Arbeit führe ich geladene Mikrogele mit komplexen Architekturen und definierter Lokalisierung verschiedener ionisierbarer Gruppen ein. Die Herausforderung besteht darin, Polyampholyt-Mikrogele mit zu synthetisieren die entgegengesetzten Ladungen tragen sowie die oberflächenmodifizierung von Polyelektrolyt-Mikrogele mit überlegener kolloidaler Stabilität zu erstellen, die auf pH- und Temperaturänderungen reagieren. Diese Mikrogele werden als Wirkstoffträger für biologische Gastmoleküle und als Bausteine zur Montage von Polyampholyt-Superstrukturen verwendet. Da die Kontrolle über die Ladungsverteilung der unterschiedlich geladener ionizierbaren Gruppen innerhalb des Mikrogel-Netzwerks nicht nur für die Grundlagenforschung entscheidend ist, sondern auch eine wichtige Rolle bei der Interaktion mit Gastmolekülen spielt, wurden Polyampholyt-Mikrogele mit kontrollierten Architekturen und definierte Lokalisationen ionizierbarer Gruppen (Statistisch, Kern-Schale und Janus-like) durch modifizierte Fällungspolymerisation synthetisiert. Basierend auf die Koazerzierungsprozesses von entgegen geladener Vorläuferpartikeln unter einer bestimmten Mischzeit wurde auch eine neue Methode zur Herstellung von Janus-like Polyampholyt-Mikrogelen entwickelt. Darüber hinaus wurden oberflächenmodifizierte Polyelektrolyt-Kernschalenmikrogele mit funktionellen GMA-Gruppen (Glycidylmethacrylat), die sich nur auf der Oberfläche der Mikrogele befinden, mittels einer zweistufiger Fällungspolymerisation mit verzögerter GMA-Zugabe synthetisiert. Polyelektrolyt-Mikrogele werden seit Jahrzehnten als Träger für den Transport und Schutz von Gastmolekülen eingesetzt, da sie auf pH-Veränderungen reagieren. Bisher zeigten Studien, dass die Wechselwirkung zwischen den Polyelektrolyt-Mikrogelen und den gegensätzlich geladenen Gastmolekülen stark von der Art der Ladungen innerhalb des Mikrogels sowie der Art der Gastmoleküle abhängt. Andere Faktoren wie die Verteilung der gegensätzlichen aufgeladenen ionizierbaren Gruppen und die strukturelle Bildung allein oder in Kombination wurden jedoch nicht erörtert. Daher wurden Untersuchungen über die Wechselwirkung verschiedener vor-synthetisierter geladener Mikrogelträger (Polyampholyt-Mikrogele und oberflächenmodifizierte Polyelektrolyt-Mikrogele) mit biologischen Gastmolekülen anderer Art (Protein und Peptid) durchgeführt. Die Auswirkungen der Ladungsverteilung und der Tragwerksgestaltung der Mikrogele sowie die Veränderung der Umgebung (pH-Wert der Umgebung) auf das Aufnahme- und Freisetzungsverfahren wurden aufgedeckt. Eine auffällige Entdeckung wurde gemacht, die zeigte, dass die Verteilung von ionizierbaren Gruppen in Polyampholyten-Mikrogelen (Statistisch- und Kernschalen) sowie die Oberflächenmodifizierung Polyelektrolyt-Kernschalenmikrogele mit fuctionalen GMA-Gruppen die Wechselwirkungen mit den erfassten Proteinen von Einschluss und "Levitation" bis hin zu beschleunigter Freisetzung steuern kann. Darüber hinaus wurden Polyampholyt- und Polyelektrolyt-Mikrogelen als effiziente Bausteine zur Herstellung von Superstrukturen eingeführt. Hinsichtlich ihrer Temperatur- und pH-Reaktionsfähigkeit wurden polyampholyte Superstrukturen mit einzigartigen Eigenschaften entwickelt. Insbesondere wurden Polyampholythydrogele über zusätzliche physikalische Vernetzung mit Tanninsäure unter dichtem Zustand und Polyampholyt-Superstrukturen über den Selbstmontageprozess von zwei gegenüberliegenden geladenen Mikrogelen synthetisiert. Die Bildung der Polyampholytensuperstrukturen wurde durch verschiedene Techniken bestätigt. Solche Strukturen eröffnen nicht nur einen neuen Weg für die Grundlagenforschung zu Studien zu gelbasierten Superstrukturen, sondern sind auch vielversprechende Kandidaten für die Wundheilung oder als funktionelle Materialien, die eine mehrfache Be- und Freisetzung von Gastmolekülen ermöglichen, die in der biomedizinischen Einheit angewendet werden können.