Synthesis and characterization of particles fabricated by layer-by-layer assembly

Das Thema der vorliegenden Dissertation ist die Synthese und Charakterisierung von Mikrokapseln und Nanopartikeln, welche durch das Layer-by-Layer-Verfahren hergestellt wurden. Dieses Verfahren basiert auf der Adsorption von Schichten positiv und negativ geladener Polymere, ähnlich der Schichtstruktur einer Zwiebel. Die Synthesen von Polyelektrolytmehrfachschichten wurden durch elektrostatische Anziehung auf Kalziumkarbonat-Mikropartikeln und Gold-Nanopartikeln durchgeführt. Aufgrund des Größenunterschieds der Partikel wurden zwei verschiedene Strategien für die Beschichtung gewählt. Das erste Ziel war die Beschichtung von sphärischen Kalziumkarbonatpartikeln mit einem Durchmesser von 1-6 μm mit unterschiedlich geladenen Polyelektrolyten. Dabei wurden Polyelektrolyte mit verschiedenen Eigenschaften benutzt, um die Kapseln herzustellen. Das System biologisch abbaubarer Kapseln bestand aus Dextransulfat und Poly-Arginin (DEXS/PARG), während die nichtabbaubaren Kapseln aus Poly(Natrium-4-Styrolsulfat) und Poly-Allylamin-Hydrochlorid (PAH/PSS) bestand. Weiterhin wurden Kapseln mit einer Silicahülle hergestellt, die aufgrund ihrer Ladungsneutralität und Bioabbaubarkeit ausgewählt und mit den anderen Kapselsorten verglichen wurde. Für das Beladen der Partikel wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt: i) die Co-Precipitation-Methode und ii) das Post-Loading. Die Effizienz der Kapselbeladung wurde untersucht. Desweiteren wurden multifunktionelle Kapseln produziert, indem magnetische Nanopartikel oder Gold-Nanopartikel in die Hülle der Kapseln eingebettet wurden. Die Funktionalisierung wurde dabei wieder durch elektrostatische Anziehung zwischen Nanopartikeln und Polyelektrolyten bedingt. Verschiedene Anwendungen dieses Systems für Transportaufgaben und Detektion wurden untersucht. i) Polyelektrolytkapseln mit und ohne magnetische Nanopartikel in der Hülle wurden per Post-Loading mit dem pH-Indikator Seminaphtarodafluor (SNARF) beladen. Der Aufbau dieser Kapseln war (PSS/PAH)2(Magnetnanopartikel)(PSS/PAH)2. Die Ergebnisse zeigen, dass das eingekapselte ionensensitive Fluorophor ein Ionensensor mit kurzer Reaktionszeit (500 ms im Fall von SNARF) ist, der desweiteren im Magnetfeld bewegt werden kann. ii) Kubische, magnetische Nanopartikel wurden in die Hülle der Kapseln eingebettet, wobei Poly(acrylamidco- diallyldimethylammoniumchlorid) P(Am-DDA) anstelle von PAH verwendet wurde, da die große Ladung von P(Am-DDA) zur besseren Anlagerung der Nanopartikel führte. Die Struktur der Hülle war (PSS/PAH)- (PSS/P(Am-DDA)- Magnetnanopartikel(PAH)(PSS/PAH)2. Da magnetische Nanopartikel durch Anregung mit einem alternierenden Magnetfeld Hitze erzeugen, können die Kapseln auf diese Weise geöffnet werden. iii) Bioabbaubare und mit Licht anregbare Kapseln mit einer Hülle aus Polyelektrolyten und Silica wurden IV hergestellt, wobei optothermische Goldnanopartikel in die Hülle eingearbeitet wurden. Die Struktur der Kapseln war (1) mPEG-SH@SiO2@PARG, (2) (PSS/ PAH)@AuNP@mPEG-SH-@SiO2@PARG, (3) (DEXS/PARG)5, (4) (DEXS/ PARG)3AuNP(DEXS/PARG)2, (5) (PSS/PAH)5, and (6) (PSS/PAH)3AuNP(PSS/ PAH)2. Zusätzlich wurde die Zytotoxizität dieser Kapseln untersucht. Weitere Charakterisierungsmethoden wie TEM und Zeta-Potential wurden ebenso angewandt. Die Gold-Nanopartikel wurden mittels des Layer-by-Layer-Verfahrens mit verschiedenen Polyelektrolythüllen beschichtet. Jede Schicht trug 0,5 bis 2 nm Dicke zur Hülle bei, abhängig von den äußeren Bedingungen der Synthese. Indem verschiedene Anzahlen von Polyelektrolytschichten adsorbiert wurden, wurden Hüllen verschiedener Dicke hergestellt. Abhängig von der äußeren Schicht wurden sowohl positive als auch negative Nanopartikel hergestellt. Damit konnte die elektrostatische Bindung von unterschiedlich geladenen Nanopartikeln untersucht werden. Unter Verwendung von stark verdünnten Lösungen von positiven und negativen Partikeln wurden hauptsächlich Dimere aus positiven und negativen Partikeln gebildet. Ergänzend zu diesen zwei Hauptaspekten der Arbeit können die verschiedenen Charakterisierungsmethoden, die bei beiden Sorten Partikeln (Kalziumkarbonatund Goldpartikel) zur Anwendung kamen, weitere Informationen über derartige Layer-by-Layer-Synthesen liefern.