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Titel:Synthesis and applications of nanoparticles in polymer matrix
Autor:Abbasi, Azhar Zahoor
Weitere Beteiligte: Parak, Wolfgang J. (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2010
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2010/0641
DOI: https://doi.org/10.17192/z2010.0641
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2010-06411
DDC:530 Physik
Titel(trans.):Synthese von Nanopartikeln und deren Einbettung in Polymerschichten

Dokument

Schlagwörter:
Nanopartikel, nanoparticle

Summary:
Subject of this cumulative dissertation is the synthesis of nanoparticles and their applications in polymer matrix. Nanoparticles have diameter from 1 to 100 nm. Due to their small size and high surface area these particles show unique optical, magnetic and metallic properties. Because of these properties, nanoparticles exhibit interesting applications in biology, as sensors and electronics fields. There were two main goals of the research work: firstly to synthesize nanoparticles having different properties such as optical, magnetic and metallic, and secondly to embed these nanoparticles in polymer matrix (i.e polyelectrolyte capsules) for biomedical applications such as drug delivery and sensing. The synthesis of nanoparticles was performed in solution in the presence of organic molecules. These molecules so called “surfactant molecules” control the growth of particles during synthesis. For this purpose surfactant molecules bind to and unbind from the surface of growing nanoparticles. These molecules also stabilize the nanoparticles in solution against aggregation and allow one to get particles dispersed in solution; which could be further used in experiments. It was observed that the control of the synthesis parameters could allow one to study the mechanism of particle formation. For very small particles discontinuous growth of nanoparticles was observed where particles were growing from one stable configuration to the next one. In second part of the research work nanoparticles were embedded in polymer matrix. The objective of this was to understand and control the assembly of charged nanoparticles and polymer to form functional polyelectrolyte capsules of micrometer size. Such polyelectrolyte capsules find applications in biomedical for drug delivery and sensing by serving as micro container to store, deliver and/or release cargo materials. Polyelectrolyte capsules were fabricated by so called layer-by-layer (LbL) technique introduced by Decher in 1990s. Using this technique oppositely charged polymers were assembled around a spherical charged template (made of CaCO3) containing the macromolecules. A polymer layers were held together due to their electrostatic interaction, it was possible to introduce charged nanoparticles during the LbL assembly. After the LbL assembly the template was removed to get the polyelectrolyte capsules containing only macromolecules in their cavity. During the research work different nanoparticles were embedded in the walls of the capsules such as fluorescent nanoparticles (e.g QDs), magnetic (e.g FePt & Fe2O3) and metallic nanoparticles (e.g Au). In some experiments walls of capsules were also made fluorescent using organic fluorophores. The cavity of the capsules was filled with different molecules. For sensing applications the cavity of the polyelectrolyte capsules was filled with different ion sensitive fluorophores.

Zusammenfassung:
Thema der vorliegenden Dissertation ist die Synthese von Nanopartikeln und deren Einbettung in Polymerschichten. Nanopartikel haben definitionsgemäß einen Durchmesser von 1 bis 100 nm. Aufgrund ihrer geringen Größe und verhältnismäßig großen Oberfläche weisen solche Teilchen einzigartige optische, magnetische und reaktive Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Eigenschaften finden Nanopartikel in vielen Forschungsbereichen Anwendung. So können sie als fluoreszente Marker, als magnetische Kontrastverstärker oder als Reaktionsgruppe zur Bindung anderer Moleküle eingesetzt werden. Die Forschungsarbeit gliedert sich in zwei Schwerpunkte: 1. Nanopartikel mit unterschiedlichen optischen, magnetischen und reaktiven Eigenschaften wurden synthetisieren. 2. diese Nanopartikel wurden in eine Polymermatrix (hier Polyelektrolytkapseln) für biomedizinische Anwendungen wie Drug-Delivery oder Bio-Sensorik eingebettet. Die Synthese der Nanopartikel wurde in Lösungsmitteln in Gegenwart von organischen Tensiden durchgeführt. Diese Tenside dienen zur Kontrolle des Wachstums der Partikel während der Synthese. Desweiteren stabilisieren sie die Nanopartikel in der Lösung und verhindern so die Aggregation der spherischen Teilchen. Durch die Variation der Wachstumsparameter während der Synthese kann der Entstehungsprozess untersucht werden. Für sehr kleine Partikel konnte ein diskontinuierliches Wachstum, d.h. eine sprunghafte Größenanderung beobachtet werden. Im zweiten Teil der Forschungsarbeit wurden Nanopartikel in eine Polymermatrix eingebettet. Ziel war es, aus dem Verband von Nanopartikeln und Polymer-Molekülen, stabile Polyelektrolytkapsen in der Größenordnung von Mikrometern herzustellen. Solche Polyelektrolytkapseln können als Kontainer für eine Vielzahl anderer Moleküle in biomedizinischen Untersuchungen Anwendung finden. So können durch Funktionalisierung der Kavität oder der Polymerhülle multifunktionale Kapseln als Transportmittel für Drug-Delivery oder bio-kompatible Sensoren eingesetzt werden. Die Kapseln wurden mit der so genannten Layer-by-Layer (LbL) Technik hergestellt, die von Decher et. al in den 1990ern vorgestellt wurde. Das Prinzip beruht auf der Deposition von geladenen Polymeren auf einem entgegengesetzt geladenen Templat. Hierzu dienten mit Makromolekülen angereicherte, spherische Kalziumkarbonat-Partikel. Durch die abwechselnde Anlagerung von entgegengesetzt geladenen Polymeren auf der Oberfläche der CaCO3 Partikel entsteht durch die elektrostatischen Kräfte eine teilweise durchlässige Hülle, welche nach dem Auflösen des Kerns als Kapselwand dient. Sie hindert die im Innern der Kapsel eingeschlossenen Makromoleküle daran, herauszudiffundieren und gibt der Struktur ihre sphärische Form. Während der Forschungsarbeiten wurden verschiedener Nanopartikel in der Wand der Kapseln eingebettet. Zu ihnen gehörten fluoreszierende Nanopartikel (QDs), magnetische (FePt & Fe2O3) und metallischen Nanopartikeln (Au). In einigen Experimenten wurde die Wand der Kapseln auch mit fluoreszierenden organischen Farbstoffen Funktionalisiert. Der Hohlraum der Kapseln wurde mit verschiedenen Molekülen gefüllt. Um als Ionensensoren für Zellulare Anwendungen zu dienen, wurden die Kavitäten der Kapseln mit Ionen-sensitiven Farbstoffen gefüllt.


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