Synthesis and applications of nanoparticles in polymer matrix

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.