Selbstorganisation amphiphiler Block-
Copolymere in Mikromischern
vorgelegt von
Dipl.-Chem. Raphael Thiermann
geboren in Wiesbaden
An der Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer.nat.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Reinhard Schomäcker
Berichter/Gutachter: Prof. Dr. Michael Gradzielski
Berichter/Gutachter: Prof. Dr. Michael Maskos
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 13.02.2014
Berlin 2014
D83
„Jede Lösung eines Problems ist ein neues Problem“
Johann Wolfgang von Goethe
(aus Unterhaltungen mit Friedrich v. Müller)
Kurzfassungen
Selbstorganisation amphiphiler Block-Copolymere in Mikromischern
Die Selbstorganisation zweier Systeme amphiphiler Polymere, dem Diblock-Copolymer PB-
PEO und dem Triblock-Copolymer PEO-PPO-PEO, wurde in Mikromischern erfolgreich
untersucht. Es wurden drei Mikromischer eingesetzt, zwei auf dem interdigitalen
Mischprinzip und einer auf dem Split-and-recombine-Prinzip basierend. Die jeweilige
Mischerarchitektur wurde auf die Fähigkeit hin untersucht, Polymersomen kontrolliert und
kontinuierlich herstellen zu können. Durch Veränderung der Mischbedingungen wie
Mischerarchitektur, Flussraten, Flussratenverhältnisse, Konzentration, Temperatur oder
Lösungsmittel-beschaffenheit, wurde die Selbstorganisation von PB-PEO gezielt gesteuert.
Unterschiedliche Strukturen wie Polymersomen, scheibenartige Mizellen oder sphärische
Mizellen wurden mit enger Größenverteilung hergestellt und mittels DLS und (Cryo)-TEM
charakterisiert. Daraus ergab sich ein Einblick in den Mechanismus der Selbstorganisation zu
Vesikeln. Gleichzeitige Einlagerung hydrophober Partikel wie Quantum Dots (QDs) oder
Eisenoxid-Nanopartikel (USPIO-NPs) diente als Modellsystem für kontinuierlich hergestellte
multi-funktionelle Polymersomen. Die Darstellung der PB-PEO-Vesikel wurde auf das
Pluronic® System L121 erfolgreich übertragen. Eine durch hydrophobe Beladung
entstandene Stabilisierung der sonst sehr instabilen Pluronic®-L121 Vesikel wurde
erfolgreich nachgewiesen und lieferte kontinuierlich hergestellte biokompatible,
multifunktionelle Polymersomen mit niedriger Polydispersität.
Self-assembly of amphiphilic block copolymers in micro mixers
The self-assembly of two different amphiphilic polymer systems, the diblock-
PB-PEO and the triblock-copolymer PEO-PPO-PEO, were investigated in micro mixers.
Three different micro mixers were used: two based on interdigital mixing and one on split-
and-recombine principle. The micro mixers were investigated to ensure a continuous and
controlled synthesis of polymersomes. The self-assembly of PB-PEO was controlled by
varying the mixing conditions like mixing architecture, flow rate, flow rate ratio,
concentration, temperature or solvent properties. Different morphologies like polymersomes,
disc-like micelles or spherical micelles were synthesized with a low polydispersity and
characterized by DLS and (Cryo)-TEM. This gave an insight into the mechanism of
polymersomes’ self-assembly. Simultaneous loading of hydrophobic particles like quantum
dots (QDs) or iron oxide nanoparticles (USPIO-NPs) was used as a model system for
continuously synthesized multifunctional polymersomes. Based on the mixing of PB-PEO,
the controlled self-assembly was transferred to the pluronic® L121 system. A stabilization of
the instable pluronic®-vesicles by loading of hydrophobic particles was successfully
demonstrated and leads to a controlled and continuous synthesis of multifunctional,
biocompatible polymersomes with a low polydispersity.
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .................................................................................................................................... 1
1.1 Motivation und Zielsetzung .......................................................................................... 3
2 Theoretische Grundlagen ...................................................................................................... 5
2.1 Grundlagen der Selbstorganisation ........................................................................... 5
2.2 Amphiphile Polymersysteme ....................................................................................... 9
2.2.1 Mechanismus der Selbstorganisation ......................................................................... 10
2.2.2 Kinetik der Selbstorganisation ...................................................................................... 11
2.3 Polybutadien-Polyethylenoxid ................................................................................. 15
2.3.1 Strukturbildung von PB-PEO ......................................................................................... 15
2.3.2 Synthese von PB-PEO ........................................................................................................ 17
2.3.3 Modifikation der Copolymerkette ................................................................................ 20
2.4 Pluronic®-L121 Triblockcopolymer ...................................................................... 21
2.5 Synthese von Polymersomen .................................................................................... 23
2.5.1 Synthese mittels Filmrehydratation............................................................................ 23
2.5.2 Synthese mittels Cosolvent-Methode ......................................................................... 24
2.6 Mikromischer ................................................................................................................. 25
2.6.1 Allgemein ............................................................................................................................... 25
2.6.2 Synthese in Mikromischern ............................................................................................ 27
2.6.3 Mikromischer Architekturen ......................................................................................... 29
2.6.4 Vergleich der verschiedener Architekturen ............................................................. 36
2.7 Beladung von Polymersomen ................................................................................... 37
2.7.1 Quantum Dots ...................................................................................................................... 38
2.7.2 Super-Paramagnetische Eisenoxidnanopartikel .................................................... 40
2.7.3 Beladung mittels Mikromischer .................................................................................... 41
3 Charakterisierungsmethoden ........................................................................................... 43
3.1 Transmissionselektronenmikroskopie................................................................. 43
3.1.1 Cryo-Transmissionselektronenmikroskop (Cryo-TEM) ..................................... 44
3.2 Lichtstreuung .................................................................................................................. 45
3.2.1 Statische Lichtstreuung (SLS) ........................................................................................ 45
3.2.2 Dynamische Lichtstreuung (DLS) ................................................................................ 48
3.2.3 Das ρ-Verhältnis .................................................................................................................. 52
3.3 Sekundärmethoden ...................................................................................................... 53
Inhaltsverzeichnis
3.3.1 UV-VIS-Spektroskopie ...................................................................................................... 53
3.3.2 IR-Spektroskopie ............................................................................................................... 53
3.3.3 Fluoreszenzspektroskopie ............................................................................................. 54
4 Ergebnisse und Diskussion ................................................................................................ 57
4.1 Polymere Nanopartikel durch Selbstorganisation ............................................ 57
4.1.1 Polymervesikel durch Filmrehydration .................................................................... 58
4.1.2 Cosolventverfahren im Batch ........................................................................................ 59
4.2 Vesikelbildung in Mikromischern ........................................................................... 61
4.3 PB-PEO Polymersomen ................................................................................................ 67
4.3.1 Selbstorganisation von PB130-PEO66 im Mikromischer ....................................... 67
4.3.2 PB130-PEO66-OH Vesikel durch Vormischung im Mikromischer...................... 74
4.3.3 PB130-PEO66-COOH im Mikromischer ......................................................................... 77
4.3.4 PB160-EO60-COOH im Mikromischer ........................................................................... 79
4.3.5 Konzentrationsabhängigkeit ......................................................................................... 82
4.3.6 Temperaturabhängigkeit ................................................................................................ 92
4.3.7 Kontinuierliche hydrophobe Beladung von PB-PEO ............................................ 95
4.4 Pluronic®-L121-Vesikel........................................................................................... 103
4.4.1 Pluronic®-L121 im Mikromischer ............................................................................ 103
4.4.2 Kontinuierliche Beladung von Pluronic® .............................................................. 105
4.4.3 Stabilität von Pluronic® Vesikeln ............................................................................. 108
4.5 Pluronic® und PB-PEO Vesikel im Vergleich .................................................... 119
5 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................................... 121
6 Experimenteller Teil.......................................................................................................... 127
6.1 Vesikelpräparation .................................................................................................... 127
6.1.1 Batch ..................................................................................................................................... 127
6.1.2 Vesikelvernetzung ........................................................................................................... 127
6.1.3 Mikromischer .................................................................................................................... 128
6.2 Charakterisierung ...................................................................................................... 131
6.2.1 Elektronenmikroskopie ................................................................................................. 131
6.2.2 Lichtstreuung .................................................................................................................... 131
6.2.3 CMC-Messungen ............................................................................................................... 133
7 Anhang .................................................................................................................................... 135
8 Literatur ................................................................................................................................. 153
1. Einleitung
1
1 Einleitung
Die Nanotechnologie steht seit mehr als 20 Jahren im Fokus der Wissenschaften. Die
„National Science Foundation“ in den USA definiert sie als Systeme und Partikel, die in
mindestens einer Dimension eine Ausdehnung von 1-100 nm aufweisen. Hier spiegelt sich
der allgemeine Trend zur Miniaturisierung in der industriellen Produktion wider, wie etwa in
schnelleren Computerchips, effizienteren Batterien, hauchdünnen Beschichtungen oder als
Transportvehikel für Arzneien. Schon jetzt sind Nanopartikel aus dem Alltag kaum mehr
wegzudenken, denn sie kommen in Oberflächenbeschichtungen, zur Viskositätsoptimierung
in Flüssigkeiten (Silika-Nanopartikel) oder als Silbernano-partikel in Socken und Deodorants
vor.[1]
Nanopartikel konnten lange Zeit nicht visualisiert werden. Mit Entwicklung der
Elektronenmikroskopie oder der Rasterkraftmikroskopie ließen sich diese Partikel in Bildern
darstellen. Damit wuchs der Wunsch diese Partikel gezielt herzustellen und auf ihre
Eigenschaften hin zu untersuchen. Sie besitzen, bedingt durch die sehr große Oberfläche im
Verhältnis zu ihrer Größe, einzigartige Eigenschaften.
Das Phänomen der Selbstorganisation ist aus vielen biologischen Systemen bekannt, so zum
Beispiel die Faltung von Proteinen, die Helixbildung der DNS oder der Aufbau einer
Zellmembran als Doppelschicht amphiphiler Phospholipide. Seit der Entdeckung der
Selbstorganisation der Lipide zu Vesikeln besteht ein großes Interesse an der Synthese
ähnlicher Strukturen.[2]
Amphiphile Blockcopolymere zeigen ebenfalls das Verhalten der Selbst-organisation in
selektiven Lösemitteln und bilden Vesikel analog zu den Liposomen in Abhängigkeit der
Lösemittelselektivität, der Molmasse und dem Blocklängenverhältnis.[3]
Diblock Copolymer AB
Triblock Copolymer ABA
Abb. 1.1: Querschnitt eines Polymersomes und dessen Membran
1. Einleitung
2
Im Vergleich zu Lipiden sind Block Copolymere über die chemische Synthese leichter und in
größerem Maße zugänglich. Außerdem bieten sie eine deutlich erhöhte Stabilität und bedingt
durch ihre dickere Membran mehr Möglichkeiten zur hydrophoben Beladung.[4]
Durch die gezielte Synthese dieser beladenen Vesikel lassen sich neue Einsatzgebiete
erschließen, wie z.B. Transportsysteme für Medikamente, künstliche Zellsysteme oder
Nanoreaktoren für die chemische Synthese.[5]
Trotz einer großen Anzahl an Arbeiten im Bereich der Polymersomen ist der Mechanismus
der Vesikelbildung noch nicht genau bekannt.
1. Einleitung
3
1.1 Motivation und Zielsetzung
Das große Forschungsinteresse an Polymersomen begründet sich auf den vielfältigen
Anwendungsmöglichkeiten. Im Vergleich zu Liposomen zeichnen sie sich durch eine hohe
Stabilität und große individuelle Anpassungsmöglichkeiten an die chemische oder
biomedizinische Anwendung aus.
Für eine weitreichende Nutzung ist vor allem ein Scale-Up der Laborsynthese nötig. Der
Einsatz von Mikromischertechnologie zur Herstellung von Polymersomen bietet neben dem
Scale-Up einen Einblick in den Mechanismus ihrer Selbstorganisation. Genauere Kenntnisse
ermöglichen die gezielte Einlagerung von hydrophilen und hydrophoben Partikeln, Farb- oder
Wirkstoffen.[6, 7] Die Größe und Einheitlichkeit der Polymersomen bestimmt nicht nur die
Beladungskapazitäten, sondern auch ihre Nutzung in Medikamenten zum Beispiel gegen
Krebs. Krebszellen zeigen eine erhöhte Anreicherung von Nanopartikeln mit einem Radius
von 50-100 nm.[8] Gleichzeitige Einlagerung von magnetischen Partikeln und Wirkstoffen
machen sie für die Theranostik interessant.[9-11]
Als Nanoreaktoren bieten sie ebenfalls im chemischen Bereich vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten.[12] Enzyme können beispielsweise innerhalb der
Vesikelmembran effektiv geschützt werden. Lagert man gleichzeitig Tunnelproteine in die
Membran ein, können funktionelle Nanoreaktoren geschaffen werden.[13, 14]
Sehr enge Größenverteilungen und einheitliche Morpholgien die im Mikromischer hergestellt
werden könnten, böten die Grundlage zur Entwicklung eines Referenzmaterials für Partikel
mit Hohlraumarchitektur.
In vorherigen Arbeiten ist bereits die Präparation und Beladung von Vesikeln untersucht
worden. Dabei wurden auf die gängigen Methoden zur Liposomen-Präparation der
Filmrehydration und der Cosolvent-Methode zurückgegriffen. Beide können für die
Herstellung einheitlicher Polymervesikel eingesetzt werden, erfordern allerdings für enge
Größenverteilungen einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand und weitere Prozessschritte.
Davon ausgehend sollte die kontrollierte und kontinuierliche Selbstorganisation verschiedener
Block Copolymere zu Nanopartikeln unterschiedlicher Größe und Morphologien im
Mikromischer untersucht werden. Die kontinuierlichen und reproduzierbaren Bedingungen in
Mikromischern sollten genutzt werden, um den Mechanismus der Selbstorganisation von
Polymersomen zu untersuchen. Unterschiedliche Übergangszustände von der einzelnen
Polymerkette bis hin zum Vesikel mit Hohlkugelstruktur sollten analysiert werden.
1. Einleitung
4
Die Beladung der Vesikel mit Modellsubstraten im Mikromischer erweitern die möglichen
Anwendungsgebiete und ebnen den Weg zu multifunktionellen Wirkstoffträgern oder
Nanoreaktoren. Durch die kontinuierliche und gleichbleibende Synthese ließe sich ein erstes
Referenzmaterial für vesikuläre Nanopartikel herstellen. Die Charakterisierung mittels TEM
als abbildende und Lichtstreuung als Ensemble-Methode sollen die erfolgreiche Synthese und
Beladung bestätigen.
2. Theoretische Grundlagen
5
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Grundlagen der Selbstorganisation
Das Phänomen der Selbstorganisation (englisch “self-assembly“) ist aus vielen Systemen
bekannt. Ohne die Selbstorganisationen von Lipiden zu Doppelschichten in der Zellmembran
wäre das Leben, wie wir es kennen, nicht möglich. Diese Phospholipide bestehen aus
hydrophoben langkettigen Fettsäuren, Glycerin und einem hydrophilen Phosphorsäurerest, an
den eine Base gebunden ist. Diese Moleküle ordnen sich im wässrigen Medium zu einer
Doppelschicht an. Sie können damit die ungünstige Wechselwirkung von Wasser mit der
hydrophoben Fettsäure vermeiden. Die Zelle wird von dieser Doppelschicht umschlossen und
schützt sich auf diese Weise vor dem umgebenden Medium.[15]
Die Tenside sind die einfachste Form von amphiphilen Molekülen und eignen sich daher
besonders gut zur Beschreibung des Phänomens der Selbstorganisation. Aufgebaut aus
unpolaren Alkylketten und einer polaren Säuregruppe bilden diese Moleküle in Wasser
unterschiedliche Strukturen aus. Die einfachste Form ist die sphärische Mizelle und bildet
sich ab einer bestimmten Tensidkonzentration (cmc engl. für „critical micelle concentration“).
Bei diesen sphärischen Partikeln zeigen die hydrophoben Ketten nach innen, während die
Säuregruppe nach außen zum umgebenden Medium steht. Bei Erhöhung der
Tensidkonzentration treten neben den Mizellen auch andere Strukturen wie Scheiben,
Stäbchen, Doppelschichten oder ein- oder mehrwandige Vesikel auf (Abb. 2.1).[16]
Abb. 2.1 [Vögtle]: Organisierte Tensidstrukturen: a) sphärische, b) ellipsoide,
c) zylinderförmige Mizellen; h) Doppelschicht; i) Multischalen-, j) Mikro-Vesikel
2. Theoretische Grundlagen
6
Die Ursache für die Ausbildung dieser Strukturen ist vor allem auf den sogenannten
„Hydrophoben Effekt“ zurückzuführen. Entropisch äußerst ungünstige Wechselwirkungen der
hydrophoben Ketten mit Wasser können dadurch vermieden werden.[17] Die anziehenden
Kräfte der hydrophoben Ketten untereinander und der hydrophilen Endgruppe mit dem
Wasser stabilisieren diese Strukturen zusätzlich.
In Abb. 2.2 ist eine schematische Beschreibung einer Mizelle skizziert. Die Form kann über
die Parameter aus hydrophiler Kopfgruppenfläche 𝑎0 (resultierend aus abstoßender
hydrophiler Wechselwirkungen), der Segmentlänge R (resultierend aus der hydrophoben
Anziehung und der maximalen hydrophoben Kettenlänge 𝑙𝑐) und dem Segmentvolumen 𝑣
beschrieben werden. [18]
Anhand des dimensionslosen Packungsparameter 𝑣/𝑎0𝑙𝑐 kann die Form der bevorzugten
Aggregate bestimmt werden. Jede dieser Strukturen entspricht dabei dem kleinstmöglichen
Aggregat, in dem die Lipide die minimale freie Energie aufweisen (Abb. 2.3). Sphärische
Mizellen entstehen bei großer Oberfläche 𝑎0 im Vergleich zum hydrophoben Volumen 𝑣
(z.B. bei geladenen Kopfgruppen). Hierbei übersteigt der Radius R der Mizelle nicht die
kritische Kettenlänge 𝑙𝑐.
Bei kleinen Kopfgruppen (ungeladene Gruppen), ist die sphärische Strukturierung nicht
begünstigt und es werden zylinderförmige Mizellen favorisiert.
Abb. 2.2: [Israelachvili]: Schematischer Aufbau einer Mizelle
2. Theoretische Grundlagen
7
Lipide, deren hydrophobes Volumen 𝑣 im Vergleich zur Kopfgruppe 𝑎0 sehr groß ist,
stabilisieren sich durch Aggregation zu Doppellagen (𝑣/𝑎0𝑙𝑐= 1 ). Um unendlich
ausgedehnte Doppellagen zu vermeiden, können sich auch geschlossene sphärische Vesikel
bilden ( 𝑣/𝑎0𝑙𝑐< 1 ), die keine energetisch ungünstigen Ränder an den Doppellagen
aufweisen. Dafür muss sich das Lipid in Form gegensätzlicher Kegelschnitte anordnen
können. Überschreitet das hydrophobe Volumen den Punkt, an dem der Packungsparameter
𝑣/𝑎0𝑙𝑐> 1 ist, kann sich das Lipid nur noch in Form inverser Kegelschnitte anordnen. [18]
Mit Hilfe des Packungsparameters kann ebenfalls die Krümmung der hydrophob-hydrophilen
Oberfläche wie folgt ausgedrückt werden.[19]
𝑣
𝑎𝑙 = 1 + 𝐻𝑙+𝐾𝑙2
3 𝐻=1
2�1
𝑅1+1
𝑅2� 𝐾=1
𝑅1𝑅2 (2.1)
Dabei entspricht H der mittleren Krümmung und K der Gaußkrümmung, aufgebaut aus den
zwei Krümmungsradien R1 und R2. Für sphärische Mizellen ist R1 = R2 und somit H = 1/R
und K= 1/R2. Bei Zylindern ist R2 unendlich groß und somit H = 1/(2R) und K = 0. Für
Doppellagen ist keine Krümmung mehr vorhandeln und somit ist H = 0 und K = 0.
Die Bildung von Vesikeln beruht auf der Tatsache, dass sich die amphiphilen Moleküle
parallel ausrichten und Doppellagen bilden. Das allein würde die Entstehung von Vesikeln
nicht erklären, denn dann bilden sich nur scheibenartige Doppellagen aus. Diese finden sich
beispielsweise für viele fluorhaltige Tenside. Geschlossene Vesikel bilden sich aus, wenn
zum einen die Aggregate groß sind und zum anderen der Energieverlust durch
1/2 >ν/a0lc>1/3
ν/a0lc< 1/3
1>ν/a0lc>1/2
ν/a0lc= 1
ν/a0lc> 1
Abb. 2.3 [Israelachvili]: Strukturbestimmung der geformten Aggregate anhand des Packungsparameters
2. Theoretische Grundlagen
8
Oberflächenspannungseffekte hoch ist. Der Rand der Scheibe führt zu einem Energieanstieg
Edisk, mit γ als Linienspannung.
𝐸𝑑𝑖𝑠𝑘 = 2𝜋𝑅𝐷𝛾 (2.2)
Der Zusammenschluss bzw. die Biegung einer Doppellage zu einem Vesikel erfordert eine
sogenannte Biegeenergie Ebend, mit κ als Biegungsmodul.
𝐸𝑏𝑒𝑛𝑑 = 8𝜋𝜅 (2.3)
Betrachtet man nur die Oberfläche einer Kugel und einer Scheibe, entspricht dem
Scheibenradius das Zweifache des Vesikelradius. Die Balance zwischen
Scheibenrandspannung und Biegeenergie liefert dann eine „minimale Vesikelgröße“ Rv,min.
𝑅𝑣,𝑚𝑖𝑛 = 2 𝜅 𝛾
⁄ (2.4)
Vesikel bilden sich umso leichter, je niedriger die Biegeenergie ist und je höher die
Linienspannung ist.
Die Linienspannung steht mit der thermischen Energie in Zusammenhang, daher kann die
Anzahl großer Vesikel thermisch beeinflusst werden. Trotzdem lässt sich eine
Gleichgewichtsgröße für Vesikel definieren. Diese entsteht aus dem Gleichgewicht der
Mischungsentropie (höhere Anzahl an Vesikeln) und der Biegeenergie (größere Vesikel und
damit niedrigere Anzahl an Vesikeln).
Ein solcher Gleichgewichtszustand ist meistens nicht von Relevanz, da dieser durch die
geringe Löslichkeit einzelner Amphiphile selten erreicht wird. Hier spielt vor allem die
Präparationsmethode eine Rolle, bei der Vesikel nicht durch Austausch und
Gleichgewichtsprozessen entstehen, sondern über die jeweiligen Bedingungen der
Herstellung definiert und gefangen werden. Beispiele solcher Präparationsmethoden sind die
Filmrehydration, Elektroformation oder das direkte Lösen des Bulkmaterials in Wasser.[20]
2. Theoretische Grundlagen
9
2.2 Amphiphile Polymersysteme
Block-Copolymere können analog zu Tensidmolekülen aufgebaut werden. Dazu wird ein
Polymer mit mindestens einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil gebildet. Dabei
entstehen die sogenannten amphiphilen Blockcopolymere. Diese Polymere bilden analog zu
den Tensiden unterschiedliche Strukturen in Wasser. Die Strukturbildung wird durch
verschiedene Faktoren beeinflusst. Molmasse, Monomere, relative Blocklängenverhältnisse,
aber auch die jeweilige Löslichkeit der einzelnen Ketten im Lösungsmittel bestimmen die
ausgebildete Struktur. Außerdem hat auch die Probenpräparation, wie z.B. die Verwendung
von Co-Lösemitteln, die Nutzung von Dialyse oder Ultraschall, einen Einfluss auf die
entstehenden Strukturen in Lösung.
Dabei lassen sich von Mizellen über Zylinder bis hin zu Vesikeln analog zu Tensiden viele
verschiedene Strukturen realisieren.
Abbildung 2.4 zeigt zwei Blockcopolymere, die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten
wurden. Das Polybutadien-Polyethylenoxid hat eine sehr kompakte und für hydrophile
Moleküle undurchdringliche Membran. Das Triblockcopolymer Pluronic®-L121 hingegen
hat eine sehr flexiblen Membran und ist sehr permeabel für hydrophile Moleküle.[21]
Abb. 2.4 [Garcia]: Unterschiedliche Membraneigenschaften von PB-PEO und PEO-PPO-PEO
2. Theoretische Grundlagen
10
2.2.1 Mechanismus der Selbstorganisation
Trotz vieler Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Polymersomen ist der Mechanismus der
Entstehung von Vesikeln aus einzelnen Block-Copolymeren noch nicht umfassend
verstanden. Als erster und schnellster Schritt der Selbstorganisation bilden sich aus
vollständig gelösten Polymeren kleine sphärische Mizellen aus (Abb. 2.5). [22]
Von hier ab unterscheiden sich die zurzeit diskutierten Mechanismen voneinander.
Mechanismus 1 schlägt vor, dass sich zunächst durch Kollision kleiner Mizellen größere
anisotrope Mizellen wie Scheiben oder Stäbchen bilden. Diese wachsen so lange weiter, bis
die Flexibilität des Bilayers eine Krümmung zulässt, damit sich dieser schließen kann. Der
Zusammenschluss erfolgt immer irreversibel, da durch das Verschwinden der Kanten der
Scheibe eine Stabilisierung erfolgt und die Krümmung gleichmäßig ist. Schließen sich diese
Scheiben schon bei minimal erforderlicher Krümmung zusammen, ist eine hydrophile
Einlagerung schwierig. Eine Beladung des inneren Kerns ist deutlich einfacher, wenn sie
länger wachsen und erst nach Beendigung der Selbstorganisation zusammenschließen.
In den meisten Fällen können keine Zwischenzustände vom einzelnen Polymermolekül zum
Vesikel gefunden werden. Die Zeit, die zur Bildung des Vesikels benötigt wird, ist sehr kurz.
Sogar Mizellen, die als erste Struktur auftreten, können in Experimenten nur selten beobachtet
werden.[23] Immerhin konnten bei der Selbstorganisation von Tensiden durch sehr schnelles
Mischen mit fluorierten Tracern anisotrope Zwischenzustände mittels SAXS/SANS
beobachtet werden.[24] Auch die Ergebnisse einer Mischung aus Tensiden und dem
Abb. 2.5 [Uneyama]: Mechanismen der Vesikelbildung durch Selbstorganisation
Vollständig gelöste Polymerketten (links); Bildung von sphärischen Mizellen (2.v.links); Bildung anisotroper Partikel wie
Scheiben/Stäbchen und Zusammenschluss in Vesikel (Mechanism 1);
Bildung nicht orientierter Cluster und Reorganisation in Vesikel (Mechanism 2);
Vesikel mit Doppelschicht und hydrophilem Kern
2. Theoretische Grundlagen
11
Pluronic® Triblockcopolymer L35 lassen auf scheibenartige Morphologie als möglichen
Übergangszustand der Selbstorganisation in Polymersomen schließen.[25]
Im Kontrast dazu steht Mechanismus 2. Dieser geht von einem raschen Wachsen der Mizellen
in metastabile Aggregate aus. Aus diesen zum Teil unorientierten Clustern erfolgt nach
einiger Zeit ein internes Umstülpen und ermöglicht die Bildung des Vesikels. Allerdings
würde dieser Mechanismus es quasi unmöglich machen, hydrophile Partikel oder Moleküle
einzuschließen. Das entstehende innere Volumen dieser Vesikel wäre klein und damit nur
geringe Kapazitäten für hydrophile Partikel vorhanden. Dies konnte bei einem pH-
wechselnden Polymer gezeigt werden, welches eine sehr niedrige Einlagerung hydrophiler
Stoffe in das Vesikel zeigte.[26]
2.2.2 Kinetik der Selbstorganisation
Die Kinetik der Selbstorganisation ist seit Jahrzehnten Bestand der Forschung. Ihre
Beschreibung stellt trotzdem immer noch eine enorme Herausforderung dar. Amphiphile
Moleküle zeichnen sich durch unterschiedlichste Monomere mit differenzierten
physikalischen Eigenschaften, Blockverhältnissen, Ladungen etc. aus. Durch die Vielzahl an
Wechselwirkungen, die bei der Selbstorganisation dieser Moleküle berücksichtigt werden
müssen, verwundert es nicht, dass lediglich die Organisation von Lipidsystemen vollständig
gelöst werden konnte.
Die Bildung von Liposomen konnten auf einer Zeitskala bis 240 ns simuliert werden. Diese
Simulation basierte auf einem atomistischen Ansatz mit einem System von 1017 Lipiden mit
jeweils 50 Wechselwirkungszentren in 106563 Wassermolekülen. Wie man anhand
zahlreicher Poren in der Schale feststellen konnte, war die Bildung des Liposoms bei 90 ns
noch nicht abgeschlossen. Erst nach 200 ns war ein Liposom entstanden. [27]
Aufgrund der enormen Anforderungen von Simulationstechniken an die Rechenleistung von
Computersystemen stoßen heutzutage atomare Modelle schnell an ihre Grenzen. Für größere
Zeitskalen bei niedrigeren Konzentrationen oder bei anderen amphiphilen Systemen werden
diese atomaren Modelle sehr komplex.[28]
Um die Grenzen der Moleküldynamik zu überwinden, wird heute meist die DPD-Simulation
(Dissipative Partikel Dynamik) angewandt. Bei dieser Methode werden Wasser oder
amphiphile Monomere Kugeln zugeordnet. Jede Kugel korrespondiert mit einem Volumen
einer Gruppe von Wassermolekülen oder amphiphilen Monomeren. Anschließend kann man
ihnen bestimmte Eigenschaften zuweisen. Durch diese Zuordnung sind die nicht bindenden
Wechselwirkungen zwischen zwei DPD-Partikeln „weich“ und können durch die Kraft Fij
beschrieben werden:
2. Theoretische Grundlagen
12
𝐹𝑖𝑗 = −𝑎𝑖𝑗�1−|𝑟|
𝑟𝑐�𝒓
|𝑟| 𝑚𝑖𝑡 𝑟≤ 𝑟𝑐 𝑢𝑛𝑑 𝐹𝑖𝑗 = 0 𝑚𝑖𝑡 𝑟 > 𝑟𝑐 (2.5)
r entspricht hier dem Vektor zwischen zwei Partikeln der Spezies i und j, rc bestimmt die
Länge einer Einheit und der Koeffizient aij bestimmt die Stärke der Wechselwirkung. Das
amphiphile Konstrukt wird durch ein Potential bindender Wechselwirkungen Vbond(|r|)
festgehalten und kann durch Federn analog zum Hook’schen Gesetz beschrieben werden:
𝑉(1)𝑏𝑜𝑛𝑑(|𝑟|) =𝑘𝑏𝑜𝑛𝑑𝒓2 𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑉(2)𝑏𝑜𝑛𝑑(|𝑟|) =𝑘𝑏𝑜𝑛𝑑
2(|𝑟|−𝑙0)2 (2.6)
mit r als Vektor der aufeinanderfolgende Kugeln verbindet, kbond der Federkonstante und der
Bindungslänge lo. Dies kann nun noch weiter vereinfacht werden zu:
𝑉(1)𝑏𝑜𝑛𝑑 =𝑘𝑏𝑒𝑛𝑑
2(𝜗−𝜗0)2 𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑉(2)𝑏𝑒𝑛𝑑 =𝑘𝑏𝑒𝑛𝑑(1−cos(𝜗−𝜗0)) (2.7)
In dieser Gleichung steht kbend für die Federkonstante, während ϑ and ϑo für den momentanen
und den Durchschnittswinkel aufeinanderfolgender Bindungen stehen.
Der entscheidende Parameter für viele Systeme beruht auf den unterschiedlich starken
Wechselwirkungen, also aij. Dabei beschränkt sich aij meist auf die Wechselwirkung zwischen
Lösungsmittel, hydrophobem und hydrophilem Teil bzw. diesen untereinander. Die wichtigste
Wechselwirkung wird dabei der hydrophoben Abstoßung mit dem Lösungsmittel
zugeschrieben, denn diese ist die Triebkraft der Selbstorganisation.[18]
Shillcock konnte anhand dieser Methode die Selbstorganisation von amphiphilen Molekülen
bis zu 415 µs simulieren.[29] Er konnte auch zeigen, dass der Prozess in mehrere Abschnitte
aufgegliedert werden kann. Zunächst entstehen in einem sehr schnellen Prozess Mizellen.
Diese wachsen in einer zweiten, längeren Periode durch Kollision mit anderen Mizellen oder
durch Aufnahme einzelner Amphiphile an und verbinden sich zum Teil zu Doppellagen.
Dabei entstehen immer größere Doppelschichten, die sich anschließend in Vesikel
zusammenschließen. Der darauffolgende Abschnitt ist der am langsamsten ablaufende, denn
hier fusionieren die bereits geformten Vesikel zu noch größeren Vesikeln. Durch den deutlich
kleineren Diffusionskoeffizienten liegt dieser Prozess außerhalb der möglichen
Simulationszeiten.
Abb. 2.6 zeigt die DPD-Simulation einer Selbstorganisation amphiphiler Moleküle bei
verschiedenen Konzentrationen. Shillcock et al. kam zu dem Ergebnis, dass die Konzentration
einen starken Einfluss auf die Selbstorganisation ausübt. Bei höheren Konzentrationen
werden nicht die Vesikel nicht nur größer, sondern sie entstehen auch viel schneller.
2. Theoretische Grundlagen
13
Bei der niedrigsten Konzentration zeigt sich nicht das erwartete Wachtums-gesetz
(durchgezogene Linie), welches bei den anderen Konzentrationen beschreibend war. Dies
liegt an der erheblich längeren benötigten Zeit, um aus den schnell geformten Mizellen eine
Doppelschicht zu bilden.
Um einen Eindruck vom Aufwand solcher Berechnung zu bekommen, kann gesagt werden,
dass für jede Kurve einer einzelnen Konzentration in
Abbildung 2.6 zwischen 4 und 7 Tagen Rechenzeit von 512 Prozessoren benötigt wurden und
entspricht pro Kurve 6-10 Jahre einer einzelnen CPU-Rechenleistung.[29]
Nichts desto trotz erlaubt uns diese Art von Simulationen einen theoretischen Einblick in die
Kinetik dieses physikalisch kollektiven Phänomens, welche aufgrund der zu kleinen Zeiten in
der Praxis bisher nicht gezeigt werden konnte.
Für amphiphile Polymersysteme kann die Berechnung nur als Näherung gesehen werden,
denn die Polymere sind deutlich größer und haben daher längere Diffusionszeiten als in dem
betrachteten System.
He und Schmid haben für Polymersysteme eine spinodale Entmischung simulieren
können.[30] Diese Bedingungen ähneln denen, die während der Cosolvent Methode auftreten.
Schmid et al. kamen zu dem Ergebnis, dass die zunächst entstehenden mizellaren Strukturen
Abb. 2.6 [Shillcock]: Wachstum amphiphiler Cluster als Funktion der Zeit in Volumenboxen von (110 nm)3 und (140 nm)3 für
unterschiedliche Konzentrationen;
gerade Linien entsprechen dem erwarteten Wachstum und machen die Abweichung zur Simulation deutlich
2. Theoretische Grundlagen
14
durch weitere Aufnahme von Polymerketten anwachsen. Der Kern der sphärischen Mizelle
nimmt dabei an Hydrophilie soweit zu, dass Lösungsmittel aufgenommen wird und sich
Vesikel ausbilden. Diese Ergebnisse haben große Ähnlichkeit zum Mechanismus II und
stehen im Widerspruch zu anderen Simulationen. Denn es wird angenommen, dass
unterschiedliche Simulationen zu einem Mechanismus führen sollten. Durch verschiedene
Vereinfachungen, die bei dieser Simulation angenommen werden, könnte das Auftreten des
Mechanismus II ebenfalls erklärt werden.
2. Theoretische Grundlagen
15
2.3 Polybutadien-Polyethylenoxid
Ein Beispiel amphiphiler Block-Copolymere ist das PB-PEO-Block-Copolymer, das unter
anderem in dieser Arbeit Verwendung fand. Es ist aus dem hydrophoben Polybutadien (PB)
und dem hydrophilen Polyethylenoxid (PEO) aufgebaut. Da die Polybutadienkette eine
Glastemperatur von -40°C hat, ist bei Raumtemperatur eine ausreichende Flexibilität
vorhanden. Der Polybutadienteil kann in unterschiedlichen Größen gewählt werden, wodurch
es möglich ist, verschieden starke Membranen aufzubauen. Die Membrandicke lässt sich
zwischen 9 und 20 nm einstellen und skaliert mit dem Molekulargewicht von Polybutadien
Mb (mit b = 0,5-0,66).[31] Es konnte gezeigt werden, dass bei einem Polymer mit 130
Polybutadieneinheiten die Membran so kompakt ist, dass das Innere vom äußeren
Lösungsmittel sogar gegen Protonendiffusion abgeschirmt ist.[32] Dies ermöglicht den
Einsatz der Vesikel als Nanoreaktoren, weil das Reaktionsvolumen allein durch deren Größe
bestimmt werden kann. Je dicker die Membran ist, desto größer ist auch die Kapazität für
hydrophobe Beladung.
Durch die ungesättigte Polybutadienkette ergeben sich zusätzlich Modifikations-
möglichkeiten wie zum Beispiel eine Addition an die Doppelbindungen oder eine
Vernetzung. Letztere können zum Beispiel durch Gammastrahlung oder auch durch
Radikalstarter wie Peroxosulfate initiiert werden.[33-35]
Die hydrophile Polyethylenoxidkette ist ein sehr gut untersuchtes wasserlösliches Polymer,
welches tausendfach in Pharmazeutika und Kosmetika zur Anwendung kommt. Seit etwa 30
Jahre ist bekannt, dass die Verweildauer von Liposomen durch eine Beschichtung mit PEO im
Blutzyklus verlängert werden kann und man hat dessen Biokompatibilität in vielen Studien
untersucht.[36, 37]
2.3.1 Strukturbildung von PB-PEO
Die Eigenschaften des Copolymer Polybutadien-Polyethylenoxid bezüglich ihrer
Strukturbildung wurden in Arbeiten von Bates [38], Förster [20, 39] und Maskos [35, 40]
untersucht. Die Kettenlänge der einzelnen Blöcke und ihr Verhältnis zueinander tragen
wesentlich zu ihrer bevorzugten Struktur im wässrigen Medium bei.
2. Theoretische Grundlagen
16
Abb. 2.7 zeigt ein vereinfachtes Schema der favorisierten Partikelformen für unterschiedliche
Blocklängen des PB-PEO Blockcopolymers. Bei einem Gewichtsverhältnis von 30% PEO zur
Polybutadienkette können sich Vesikel ausbilden. Dabei kann die Länge des PB-Anteils von
30-250 Monomereinheiten variiert werden. Ist der Anteil an Polyethylenoxid im
Blockcopolymer deutlich größer, entstehen Zylinder oder sphärische Mizellen. Das in dieser
Arbeit verwendete PB130-PEO66 hat ein mittleres Kettenlängenverhältnis PEO zu PB, welches
dazu führt, dass Vesikel als Struktur in Wasser bevorzugt werden.
Neben dem Blocklängenverhältnis spielt auch die Endgruppe eine Rolle. Ersetzt man die OH-
Gruppe durch eine Carboxylgruppe, erhält man in Wasser eine partielle Deprotonierung und
somit eine geladene Oberfläche. Spezifische Wechselwirkungen der Carboxylgruppe mit der
Polyethylenoxidkette führen zu einer Elongation der hydrophilen Kette. Diese konnte durch
AFM-Untersuchungen bestätigt werden.[41] Aus dieser Streckung resultiert eine
verhältnismäßige Vergrößerung des hydrophoben Blocks bzw. Verkleinerung des hydrophilen
Volumens. Der zu den Lipidsystemen analogen Packungsparameter 𝑣/𝑎0𝑙𝑐 vergrößert sich
und somit ergibt sich eine stärkere Tendenz zu vesikelbildenden Strukturen.[40]
+
Abb. 2.7 [Maskos]: Bevorzugte Struktur des Polymers PB-PEO mit unterschiedlichen
Kettenlängen
2. Theoretische Grundlagen
17
2.3.2 Synthese von PB-PEO
Die in dieser Arbeit verwendeten Polymere PB130-b-PEO66 bzw. PB160-b-PEO60 wurden durch
anionische Polymerisation hergestellt. Abbildung 2.8 zeigt die Strukturen der drei
verwendeten Polymere. Die in blau dargestellten Molekülketten entsprechen den
wasserlöslichen PEO-Anteilen. Der rote Polybutadien-Bereich ist hydrophob und bildet den
wasserunlöslichen Part des amphiphilen Polymers. Zusätzlich ist die korrespondierende
thermodynamisch bevorzugte Struktur, nämlich das Vesikel, skizziert.
Tabelle 1 fasst die wichtigsten Daten der Polymere zusammen: die Molmasse der Polymere
(bestimmt durch Maldi-TOF für 1A und 1B bzw. GPC für XB), den hydrophilen Anteil
Polyethylenoxid feo in Gewichtsprozent und die Polydispersität in PDI, also dem Quotienten
aus Mw und Mn. Bei beiden Polymeren liegt der Wert von feo zwischen 20-30% und bildet
Vesikel als bevorzugte Struktur aus.
PB130-b-PEO66 wurde analog zu Abb. 2.9 synthetisiert und zur Verfügung gestellt. Die
Polymere wurden mit zwei verschiedenen Endgruppen versehen. Beide Polymere wurden
mittels MALDI-TOF-MS charakterisiert (1 A und 1B).[40, 42]
Tab. 1: Kenndaten der verwendeten PB-PEO Block-Copolymere
Polymer 1A
#
1B
#
XB
*
Mn (g/mol) 11000 11000 11300
feo (w%) 29 29 23
PDI 1,05 1,05 1,06
#: Bestimmt durch MALDI-TOF Analyse
*: Bestimmt durch GPC-Analyse
XB
1B
1A
Abb. 2.8: Verwendete Polybutadien-Polyethylenoxid Block-Copolymere (1A, 1B, XB)
und deren korrespondierender Struktur in Wasser
2. Theoretische Grundlagen
18
Da von den Polymeren 1A und 1B keine ausreichende Menge zur Verfügung gestanden hat,
wurde ein zweites Polymer PB160-PEO60 synthetisiert. Aufgrund einfacherer Handhabbarkeit
wurde diese Synthese analog Abb. 2.10 durchgeführt.[43] Das Polybutadien wurde durch
anionische Polymerisation bei
-78 °C hergestellt. Als Initiator wurde s-BuLi verwendet und die Reaktion durch Ethylenoxid
abgebrochen. Da eine Polymerisation des Ethylenoxids durch die starke Bindung des
Lithiums an die Enolatgruppe nicht möglich ist, wurde das Lithium durch Fällen in Methanol
in Form von Lithiummethanolat entfernt. Anschließend wurde das Polybutadien mit
endständiger Ethylenoxidgruppe mittels der starken nicht-nukleophilen Phosphazenbase t-
BuP4 (Schwesinger Base) durch Deprotonierung reaktiviert. Durch Zugabe weiteren
Ethylenoxids konnte die Ethylenoxidkette verlängert werden.
Abb. 2.9 [Maskos]: Syntheseschema des PB-PEO-Block-Copolymers mittels Cumylkalium-Initiator
2. Theoretische Grundlagen
19
Durch das sich ergebende Blocklängenverhältnis entstehen bei diesem Polymer ebenfalls
Vesikel in wässrigem Medium. Die sich zunächst durch die Synthese ergebende Hydroxy-
Endgruppe, wurde weiter durch eine Carboxylgruppe ersetzt. Das ermöglicht eine leichtere
Funktionalisierung mit Farbstoffen oder Verarbeitung zu Biokonjugaten.
Abb. 2.10: : Schematische Darstellung der Synthese Blockcopolymers PB-PEO mit BuLi-Initiator,
Abbruch mit Methanol und Reinitiierung mit Phosphazen-Base t-Bu-P4
2. Theoretische Grundlagen
20
2.3.3 Modifikation der Copolymerkette
Das Vorhandensein vieler ungesättigter Bindungen ermöglicht eine Vielzahl von Reaktionen.
Ähnlich wie im Gummi von Autoreifen lassen sich PB-b-PEO-Polymervesikel nach
Selbstorganisation vernetzen. Während bei der Herstellung von Autoreifen Schwefel als
Vernetzer zum Einsatz kommt, verwendet man bei Vesikeln zum Beispiel
Kaliumperoxosulfat als Initiator. Durch die hohe 1,2-Verknüpfung der Butadienmonomere,
die sich durch die anionische Polymerisation bei -78 °C ergibt, ist eine einfachere Vernetzung
als bei 1,4-Verknüpfung möglich.
Eine Vernetzung ohne weitere Einbringung von Fremdmolekülen ist durch
Gammabestrahlung möglich.[34] 60Co ist eine geeignete Quelle dieser Strahlung für die PB-
PEO-Vernetzung. Durch radioaktiven Zerfall entsteht aus 60Co 60Ni unter Aussendung von β−
und γ-Strahlung. Trifft diese γ-Strahlung auf Doppelbindungen, werden diese in Radikale
gespalten und starten die Vernetzung. Maskos[2006] konnte zeigen, dass keine
Strukturänderung während der Vernetzung auftritt.[40] Eine Bestrahlung mit 60 kGy reicht
aus, um die zunächst labile Aggregationsform von Vesikeln dauerhaft zu fixieren. Die
vesikuläre Struktur bleibt bei Vernetzung sogar in einem guten Lösungsmittel für beide
Blöcke erhalten. Das gilt sogar im Falle der kompletten Trocknung. Eine derartige
Stabilisierung ermöglicht die sehr leichte Analyse mittels Elektronenmikroskopie ohne
zwingend auf Cryo-TEM angewiesen zu sein, da hier immer eine Trocknung durch das
Hochvakuum erfolgt.
Eine direkte Modifikation ist auch vor der Selbstorganisation möglich. Dabei kann zum
Beispiel durch Kupplung von hydrophoben Molekülen mit einer Thiol-Gruppe mittels Klick-
Reaktion der hydrophobe Teil des Polymers vergrößert werden. PB-PEO Polymere, die durch
einen zu großen PEO-Teil normalerweise keine Vesikel bilden können (siehe Abs. 2.1), sind
dann in der Lage vesikuläre Strukturen in Wasser auszubilden.[44]
Aufgrund der geringen Wechselwirkung des Polyethylenoxids mit anderen Molekülen lässt
sich die hydrophile Schale des Vesikels ausschließlich durch direkte Modifikation der
Endgruppe erreichen. Koppelt man Farbstoffe wie Fluoreszein an die Carboxylgruppe, lassen
sich fluoreszierende Vesikel herstellen. Außerdem können Targeting-Proteine wie EGF an
Vesikel gebunden werden, um diese gezielt an bestimmte Zellen binden zu lassen. Die dabei
entstehenden Partikel nennt man auch Biopolymerhybride.[45]
2. Theoretische Grundlagen
21
2.4 Pluronic®-L121 Triblockcopolymer
Ein weiteres verwendetes Polymer ist das PEO-PPO-PEO Triblockcopolymer
(Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Poleyethylenoxid, Pluronic®). Der PEO-Teil fungiert
wieder als hydrophiler Teil und der PPO-Anteil entspricht dem hydrophoben Block. Ähnlich
wie beim PB-PEO Polymer findet in Wasser eine Selbstorganisation statt. Allein dieses
Triblockcopolymer kann theoretisch allein schon eine Doppelschicht ausbilden, da es zwei
hydrophile Blöcke an beiden Enden hat. Pluronics® gibt es in unterschiedlichen
Summenverhältnissen von PEOx-PPOy-PEOx, das Pluronic® L121 mit der Summenformel
PEO5-PEO68-PEO5 bildet dabei in Wasser Vesikel aus.[46-50] Die temperaturabhängige
Mizellisierung ist charakteristisch für PEO-PPO-PEO Block-Copolymere. PEO-PPO-PEO
liegt bei niedriger Temperatur (4 °C) in verdünnter wässriger Lösung molekular vor, da hier
PPO ebenso wie PEO löslich in Wasser ist.[51-54]
Pluronic® L121 hat mit 68 Wiederholungseinheiten PPO im Vergleich zum kurzen PEO von
5 Teilen einen großen hydrophoben Anteil. Der hydrophobe Teil ist im Vergleich zum
Polybutadien in Wasser noch sehr permeabel. Pluronics® bieten weiterhin den Vorteil,
biokompatibel und nicht toxisch zu sein.[55, 56] Darüberhinaus liegen für eine Vielzahl von
Pluronic®-Präparaten eine FDA Zulassung vor.[57] Obwohl PEO-PPO-PEO nicht biologisch
abbaubar ist, eignen sich diese Präparate trotzdem für die biomedizinische Anwendung, da sie
eine gewisse Löslichkeit in Wasser haben. Sie können sogar mit dem Urin langsam
ausgeschieden werden. Dies ist für Molekulargewichte bis maximal 10-15 kg/mol
möglich.[58, 59]
Durch die relativ permeable und sehr dünne Membran von etwa 5 nm, sind diese Strukturen
allerdings metastabil. Nach erfolgter Selbstorganisation mit eng-verteilten Vesikelgrößen,
werden diese mit der Zeit immer polydisperser.[50] Eine Lösung dieses Problems ist die
Beladung mit einem hydrophoben Crosslinker wie zum Beispiel PETA
(Pentaerythryltetraacrylat), der mittels UV aktiviert wird. Dabei bildet sich ein festes und die
Schale durchdringendes Netzwerk, das die Membran stabilisiert.[60] Durch diese Einlagerung
von Fremdstoffen wird das System deutlich komplizierter. Folglich wird es schwieriger diese
Vesikel für weitere Beladung zu verwenden. Zudem sind die Stabilisatoren in der Regel nicht
biokompatibel und machen das Vesikel unbrauchbar für Anwendungen im Bereich des
Wirkstofftransports.
2. Theoretische Grundlagen
22
2. Theoretische Grundlagen
23
2.5 Synthese von Polymersomen
Die Herstellung von Polymersomen kann in zwei verschiedene Routen aufgeteilt werden –
mit und ohne organische Lösungsmittel.
Bei der Filmrehydratation wird ein dünner Polymerfilm auf einer Oberfläche direkt in Wasser
gelöst. Dabei organisiert sich der Polymerfilm neu und bildet Polymersomen. Bei manchen
amphiphilen Polymeren, deren hydrophober Block eine ausreichende Flexibilität zeigt
(kleines Molekulargewicht und niedrige Glastemperatur), ist auch ein direktes Auflösen des
Bulkmaterials für eine Herstellung von Polymersomen ausreichend. [3, 4, 61, 62]
Die zweite Methode nutzt zunächst ein gutes Lösungsmittel um das Polymer vollständig zu
lösen. Dabei sei die Cosolvent-Methode genannt, bei der das gelöste Polymer zum Wasser
bzw. umgekehrt Wasser zur Polymerlösung getropft wird. Die zur Verwendung kommende
Lösungsmittel (THF, DMSO) sind vollständig mit Wasser mischbar.[3] Auch Emulsionen
können erstellt werden, bei dem die wasserunlösliche Phase anschließend abgezogen wird und
so Polymersomen entstehen lassen.[63, 64]
Die beiden wichtigsten Methoden, die Filmrehydratation und die Cosolvent-Methode, werden
im folgenden Kapitel noch einmal genauer beschrieben.
2.5.1 Synthese mittels Filmrehydratation
Liposomen werden oft unter Verwendung der Filmrehydratation hergestellt und diese kann
ebenfalls für Blockcopolymere verwendet werden. Man löst zunächst das Lipid oder Polymer
in einem Lösungsmittel wie Chloroform und dampft dieses in einem Gefäß ab. Es bleibt ein
sehr dünner Film an der Gefäßwand. Durch Zugabe von Wasser und Energie, beispielsweise
Temperaturerhöhung und Rühren oder einfach durch Ultraschall, wird dieser Film wieder in
Lösung gebracht. Dabei können sich neben einwandigen Vesikeln auch solche mit mehreren
Schalen ausbilden. Außerdem ergeben sich sehr große Polydispersitäten und sehr große
Vesikeldurchmesser. Dadurch ist es oft nötig, die Proben mittels Membranextrusion
einheitlicher in Bezug auf deren Partikelgröße zu machen. Dazu verwendet man eine
Membran mit klar definierten Porengrößen und presst Lösung dort mehrmals hindurch. Alle
Vesikel, deren Durchmesser die Porengröße überschreitet, werden durch Scherkräfte
verkleinert. Trotz niedriger Polydispersitäten, die mit diesem Verfahren erreicht werden
können (8%), stellt es einen weiteren zeitintensiven Zwischenschritt dar. Darüberhinaus
adsorbieren Polymere an der Membranwand, was sich negativ auf die Ausbeute auswirkt. [23]
2. Theoretische Grundlagen
24
2.5.2 Synthese mittels Cosolvent-Methode
Die sogenannte Cosolvent Methode zur Präparation von Polymersomen wurde von Eisenberg
et al. entwickelt. Ein gutes Lösungsmittel für beide Blöcke des Polymers (z.B.: THF für PEO
und PB) wird langsam mit einem selektiven Lösungsmittel (Wasser nur für PEO) versetzt.
Durch die veränderten Lösungsmitteleigenschaften setzt die Selbstorganisation ein.
Energetisch ungünstige Wechselwirkung zwischen hydrophilem Lösungsmittel und
hydrophobem PB-Block können durch Ausbildung von Mizellen oder Doppelschichten
vermieden werden. Dabei aggregieren die Polymermoleküle und bilden nur hydrophob-
hydrophobe Wechselwirkungen aus. Die hydrophilen PEO-Ketten zeigen dann nach außen ins
Wasser. Es können verschiedene Strukturen wie zum Beispiel sphärische Mizellen, Scheiben,
Stäbchen oder Vesikel entstehen. Im Vergleich zur Filmrehydratation können verschiedene
Größen durch unterschiedliche Geschwindigkeiten der Lösungsmittelzugabe erzielt werden.
Außerdem können die entstehenden Polymervesikel eine niedrige Polydispersität aufzeigen.
Nachteilig ist die Begrenzung auf relativ kleine Volumina, da andernfalls keine gleichmäßige
Zugabe des Lösungsmittels möglich ist. Zudem ergibt sich immer eine gewisse
Größenverteilung, da an der Eintropfstelle ein relativ großes Konzentrationsgefälle selbst bei
sehr guter Durchmischung entsteht. Zusätzlich muss das verbleibende Lösungsmittel nach
beendeter Selbstorganisation entfernt werden. Lösungsmittelrückstände führen oft zu
Problemen bei späterer Nutzung, zum Beispiel als Wirkstoffträger.
2. Theoretische Grundlagen
25
2.6 Mikromischer
2.6.1 Allgemein
Seit mehr als 10 Jahren sind Mikromischer Bestandteil der Forschung und haben ein großes
Anwendungsgebiet erobert. Dieses erstreckt sich von Lab-on-chip-Systemen für
biotechnologische Anwendungen bis hin zum Ersetzen von Batchsynthesen durch eine
kontinuierliche Produktion.
Für mikrofluidische Systeme lassen sich zwei verschiedene Mischverfahren nennen –
passives und aktives Mischen.
Aktives Mischen zeichnet sich durch das Einbringen einer externen Energiequelle aus. Als
Energiequellen dienen hier zum Beispiel Ultraschall, durch Bläschen induzierte Vibrationen,
periodische Variation der Flussraten, magnet-induzierte hydrodynamische Bewegungen,
Kanalräder und einige mehr.[65]
Passives Mischen verwendet allein die Flussenergie innerhalb eines Mischers. Dabei kann die
Pumpenergie oder das hydrostatische Potential ausgenutzt werden, um den Fluss zu
restrukturieren, was ein schnelles Mischen zur Folge hat.[65]
Im Folgenden sind einige Beispiele aufgeführt wie die Pumpenergie beim passiven Mischen
eingebracht werden kann (Abb. 2.11):
• Interdigitale multi-laminare Anordnung
• Split-and-Recombine Konzepte (SAR)
• Chaotisches Mischen durch Wirbelbildung
• Düseneinspritzung in den Fluss
• Kollision von Jets
Abb. 2.11 [Hessel]: Beispiele unterschiedlicher passiver und aktiver
Mischungsmethoden
2. Theoretische Grundlagen
26
Die in dieser Arbeit verwendeten Mikromischer basieren auf den Konzepten der interdigitalen
Multilamination und dem Split-and-Recombine Prinzip (SAR). Trotz der hohen und schnellen
Mischleistung der anderen genannten Konzepte zeigen sie eine vergleichsweise schlechte
Reproduzierbarkeit. Wirbelbildungen lassen sich beispielsweise schwer kontrollieren, da sie
zum einen nur sehr schwer vorhersagbar und zum anderen zeitlich nicht konstant sind.
Für größtmögliche Reproduzierbarkeit und Kontrolle der Mischgeschwindigkeit wurden
daher Konzepte der Multilamination zur Untersuchung der Selbstorganisation von Polymeren
herangezogen.
Die Einsatzmöglichkeiten der genutzten Mikromischer bieten sich für spezielle Probleme an,
wie sie sich in der Probenpräparationen für chemische Analysen stellen, können aber auch für
traditionelle Mischungsaufgaben wie für Reaktionen, Gasabsorptionen, Emulgierung etc.
eingesetzt werden. [65, 66]
2. Theoretische Grundlagen
27
2.6.2 Synthese in Mikromischern
Reproduzierbarkeit ist ein entscheidender Faktor für eine erfolgreiche Synthese. Für
potentielle Anwendungen ist es aber unabdingbar, dass sich diese Synthese auch auf größere
Ansätze übertragen lässt und sich somit die Kosten reduzieren lassen.
Ein Ansatz, um diese beiden Faktoren miteinander zu vereinen, ist die Nutzung von
Mikromischertechnologie.[67] Sie ermöglicht verschiedene Reaktionen in sehr kleinen
Volumina unter kontinuierlichen Bedingungen durchzuführen.[65, 68-71]
Besonders bei schnell ablaufenden Reaktionen ist es oft nötig, die beiden Reaktanden sehr
schnell und gleichmäßig zu vermischen. Im Batchversuch gibt man verschiedene Substanzen
oder Lösungen direkt zusammen. Es ergeben sich sehr hohe lokale Konzentrationen beider
Lösungen. Die Durchmischung findet nur an der im Verhältnis recht kleinen Grenzfläche
statt.
Im Mikromischer werden zwei Lösungen im Mikrometermaßstab gemischt. Dadurch ergeben
sich sehr kleine Reaktionsvolumina mit dementsprechend großen Grenzflächen an denen die
gewünschte Durchmischung stattfinden kann. Die Mischzeiten in den nur wenige Mikroliter
großen Reaktionsvolumina betragen nur wenige Millisekunden. Auch schwer handhabbare
Reaktionen können so kontrolliert werden. Beispielsweise werden Reaktionen mit Peroxiden,
Fluoriden oder Chlorierungen bereits großtechnisch in Mikromischern durchgeführt.[72-75]
Eine anionische Polymerisation ist durch Mikromischertechnologie bei Raumtemperatur
durchführbar. Die starke Hitzeentwicklung, die bei der anionischen Polymerisation von Styrol
auftritt, stellt das größte Problem dar, denn diese führt zu zahlreichen Nebenreaktionen.
Deshalb wird die Synthese normalerweise bei -78 °C durchgeführt. Außerdem muss in
trockenen Reaktionskolben unter Schutzgas gearbeitet werden. Ziegenbalg et al. konnte
erstmals eine Reaktion mittels Mikromischer bei Raumtemperatur erfolgreich durchführen. Er
erreichte durch Spülen aller Kanäle eine inerte Umgebung und erzielte durch die gute
Hitzeabführung innerhalb der kleinen Kanäle eine sehr enge Größenverteilung von PDI =
1,05.[76]
Kationische oder ATR-(engl. für „atom-transfer-radical“) Polymerisationen sind ebenfalls im
Mikromischer realisierbar.[77, 78] Darüberhinaus konnte eine freie radikalische
Polymerisation im Mikromischer durchgeführt und patentiert werden.[79]
2. Theoretische Grundlagen
28
Diese Technik kann eingesetzt werden, um die Selbstorganisation von amphiphilen Block-
Copolymeren zu kontrollieren. Einige Forschungsgruppen nutzen Mikromischer, um
Mikroemulsionen aus zwei ineinander unlöslichen Flüssigkeiten herzustellen, aus denen man
anschließend monodisperse Polymersomen im Mikrometerbereich herstellen kann.[63, 80]
In der vorliegenden Arbeit werden Mikromischer eingesetzt, um ineinander mischbare
Flüssigkeiten zu vereinen. Ähnliche Arbeiten wurden für andere Polymere in Form von Lab-
on-chip-Systemen, allerdings für deutlich kleinere Ansätze, durchgeführt.[81]
THF und Wasser, zwei uneingeschränkt ineinander mischbare Flüssigkeiten, werden
kontrolliert gemischt. THF kann Block-Copolymere wie PB-PEO oder
PEO-PPO-PEO molekular lösen. Es eignet sich als ein gutes Lösungsmittel sowohl für den
PB- bzw. PPO-Teil (hydrophober Block), als auch für den PEO-Teil (hydrophiler Block). Die
Löslichkeit von PPO ist stark abhängig von der gewählten Temperatur des Wassers, aber auch
von seiner molekularen Masse. Das hier verwendete PPO ist bei Raumtemperatur schwer
löslich (siehe Abs. 2.4).
Mikromischer erlauben die beiden Lösungsmittel so zu vermischen, dass die Mischung
innerhalb der gleichen Zeitskala abläuft wie die Selbstorganisation (siehe Kap. 2.2). Da die
Selbstorganisation von amphiphilen Polymeren bei bestimmten Lösungsmitteleigenschaften
immer langsamer wird und sogar kinetisch eingefroren werden kann, lässt sich durch die
Steuerung der Mischzeiten dadurch auch die Selbstorganisation der amphiphilen Block-
Copolymere kontrollieren. Die Strukturbildung kann gezielt abgebrochen bzw. kinetisch
eingefroren und somit der Mechanismus untersucht werden.
2. Theoretische Grundlagen
29
2.6.3 Mikromischer Architekturen
2.4.1.1 SIMM-V2
Bei dem hier genannten Mikromischer handelt es sich um einen Interdigital-mischer, d.h. es
werden immer abwechselnd beide Lösungen zusammen-gebracht. Es entsteht so ein
Stromlinienbild, bei dem sich die Lösungsflüsse abwechseln (Abb. 2.12).
Das Herstellungsmaterial kann verändert werden, um für die jeweilige Reaktion die besten
Bedingungen wählen zu können. Der verwendete Mischer bestand aus Glaskohlenstoff, da er
ebenfalls für die Synthese von Goldnanopartikeln aus Goldsäure benutzt wurde. Edelstahl
wird von Goldsäure angegriffen und ist daher nicht geeignet.
Diese Mischerart wird weit verbreitet eingesetzt, z.B. um organische Multiphasenreaktionen
durchzuführen oder Emulsionen herzustellen. Der als Inlay bezeichnete obere Abschluss der
Mischkammer besitzt einen Schlitz über die gesamte Breite. Er gibt jeweils kleine,
gleichmäßig große Teile der Mischkammern frei (Abb. 2.12 rechts). Hierdurch wird ein
interdigitales Mischbild erzeugt, wie in Abbildung 2.13 dargestellt. Die 30 Mischkanäle des
verwendeten Mischers haben eine Breite von jeweils 45 µm und Länge von 200 µm. Durch
eine Verengung des Ausgangs auf 65 µm Breite entsteht eine hydrodynamische Fokussierung
der Flusskanäle.
a)
b)
Abb. 2.12 [IMM]: a) Bild eines SIMM der ersten Generation und vergrößerter Querschnitt
b) Prinzip der Multilamination im SIMM durch ein geschlitztes Inlay
2. Theoretische Grundlagen
30
Abbildung 2.13 zeigt das Mischungsprofil bei unterschiedlichen Flussraten. Bei einer
Gesamtflussrate von 1,67 ml/min kann man die laminare Struktur sowohl vor als auch nach
der Fokussierung noch sehr gut erkennen. Die Mischung erfolgt hierbei fast ausschließlich
durch Diffusion. Bei sehr hohen Flussbedingungen von etwa 33 ml/min entstehen am Eingang
des Schlitzes Verwirbelungen und die Lösungen werden nicht mehr nur durch Diffusion
gemischt. [82, 83]
Abbildung 2.14 zeigt die CFD-Simulation der Mischung von Hexan und THF bei 3,6 ml/min.
Hier treten bereits vereinzelte Turbulenzen und starke Geschwindigkeitsunterschiede auf. Die
Mischzeiten bei hohen Flussraten können nur abgeschätzt werden, da hohe
Geschwindigkeitsunterschiede und Verwirbelungen vermehrt auftreten.
1000 ml/h : 1000 ml/h
5 ml/h : 5 ml/h
Abb. 2.13 [Hessel]: Mischungsprofil bei unterschiedlichen Flussraten aufgenommen durch Wasserblaufärbung
niedrige Flussraten zeigen gleichmäßige Lamellenbildung,
hohe Flussraten hingegen führen zu turbulenten Mischbedingungen
Abb. 2.14 [Ziegenbalg]: Flussbedingungen und Geschwindigkeitsprofil im SIMM
bei symmetrischer Gesamtflussrate von 3,6 ml/min
2. Theoretische Grundlagen
31
2.4.1.2 Superfocus Mikromischer SFIMM-V2
Der Superfocus Mikromischer SFIMM-V2-30 des IMM (Institut für Mikrotechnik Mainz
GmbH) basiert ebenfalls auf dem Prinzip der interdigitalen Multilamination. Seine
lamellenartige Mischstruktur wird gleichmäßig auf einen Ausgang fokussiert (Abb. 2.15). Im
Vergleich zum SIMM ist dieser Mischer auf einen höheren Durchsatz ausgelegt. Der Mischer
wird in zwei unterschiedlichen Bauarten hergestellt, die sich jeweils an den Bedürfnissen für
den Einsatz im Labor bzw. in der Produktion orientieren. Der SFIMM-V2-30 ist auf einen
Durchsatz von bis zu 35 L/h und der SFIMM-V2-300 auf bis zu 350 L/h ausgelegt. Seine
Geometrie erlaubt ein sehr hohes Fokussierungsverhältnis von bis zu 178. Im SFIMM-V2
werden die Lösungen auf 38 Kanäle aufgeteilt. Alle Kanäle haben eine Breite von jeweils
260 µm und werden auf einen 400 µm breiten Ausgang fokussiert. Dies hat zur Folge, dass
die gesamte Mischung innerhalb des Mischers und nicht in der nachfolgenden
Verweilschleife abgeschlossen wird.[84]
Abb. 2.15 [IMM]: Bild des SFIMM-V2-Mikromischers (links) und dessen
lamellenartige Mischkammer (rechts)
Abbildung 2.15 zeigt den SuperFocus Mikromischer in der Edelstahlausführung und die
Mischstruktur seines Inlays (rechts). Durch die Anfärbung eines Wasserstroms mittels
Wasserblau lässt sich die Mischstruktur sehr deutlich visualisieren. Auch die
hydrodynamische Fokussierung durch unterschiedlich schnelle Fluidströme lässt sich
anschaulich darstellen (Abbildung 2.16).[82-84]
Die Mischbedingungen am Ende des Mikromischers kann man ebenfalls mittels
Wasserblaufärbung visualisieren. Interessanterweise ist das Mischprofil bei hohen
Flussgeschwindigkeiten nicht mehr laminar (Abbildung 2.17).
2. Theoretische Grundlagen
32
Bei niedrigen Flussbedingungen von 0,2 und 0,33 ml/min Gesamtflussrate sind noch
gleichmäßige Lamellen vorhanden, jedoch beginnen die am Rand liegenden Lamellen bereits
deutlich zu verschmieren.
Abb. 2.16 [Hessel]: Mischbild des SuperFocus-Mischprinzips bei unterschiedlichen Flussgeschwindigkeiten
Auch der SFIMM zeigt bei erhöhter Flussgeschwindigkeit Wirbelbildungen. Bei hohen
Flussgeschwindigkeiten verschmieren die Flüsse am Ende der Fokussierungszone vor allem
an den Rändern immer stärker. Obwohl der innerste Fluidstrom immer noch intakt erscheint,
ist die gesamte Durchmischung ungleichmäßig.
Abb. 2.17 [Hessel]: Mischbild des SuperFocus-Mischers bei unterschiedlichen Flussgeschwindigkeiten
2. Theoretische Grundlagen
33
2.4.1.3 Raupenmischer
Der Raupenmischer (CPMM, engl. für „CaterPillarMicroMixer) leitet sich von seiner
raupenförmigen Mischkammer ab und beruht auf dem sogenannten SAR-Prinzip (split and
recombine, Abb. 2.18).[85] Seine Mischerarchitektur vereinigt zwei Einlässe direkt
miteinander. Durch Separation, Reorganisation und erneuten Zusammenschluss der
Fluidströme, lässt sich ebenfalls ein laminares Flussprofil erstellen.
Die innere Konstruktion des Raupenmischers stellt die praktische Umsetzung des SAR-
Prinzps dar (Abb. 2.19).[86]
Abb. 2.19 [Schönfeld]: a) Split and Recombine Prinzip im CPMM
b) Namensgebendes raupenförmiges Mischprofil
Kompression und
Streckung
Umorganisation
Kompression und
Streckung
Umorganisation
Abb. 2.18: Split-and-recombine Mischprinzip
2. Theoretische Grundlagen
34
Abb. 2.20 zeigt eine Hierarchie der Entwicklung des Raupenmischers, angefangen bei einem
einfachen Dreiecksmischer. Die Umorganisation der Flüsse wird im CPMM bis zu 12 mal
wiederholt, wodurch eine sehr hohe Durchmischung erzielt wird. Der Raupenmischer wird
mit unterschiedlichen Stukturgrößen und Mischstufen angefertigt. Die Strukturbreiten liegen
je nach Flussrate zwischen 300 und 1200 µm pro Kanal. Der in der vorliegenden Arbeit
verwendete Mischer hat eine Strukturbreite von 300 µm und ermöglicht Flussraten bis zu 4
L/h. [87]
Abb. 2.20 [IMM]: Hierarchie der Weiterentwicklung des Raupenmischers
Angefangen vom Dreiecksmischer über die 300 µm zur 1200 µm Raupe
CFD-Simulationen zeigen jedoch, dass der Raupenmischer das SAR-Prinzip nicht perfekt
realisieren kann. Unter den üblichen Flussbedingungen (niedrige Viskositäten der
Lösungsmittel Wasser/THF) treten transversale Kräfte auf, die den Fluidstrom kontinuierlich
ablenken. Durch die innere Reibung werden die Fluidlamellen gestört und ein ideales
Mischungsbild lässt sich nicht mehr herstellen. Abbildung 2.21 zeigt eine Simulation des
Mischungsvorgangs im Raupenmischer von Hexan und THF. Dabei entstehen sogenannte
Dean-Wirbel, die den Mischungsprozess dominieren.[76]
Unter den realisierbaren Flussbedingungen kann also eher ein optimierter und kontrolliert-
chaotischer Mischungvorgang erwartet werden.
Der CPMM ist ein vielfach verwendeter Mikromischer, der breite Anwendungsmöglichkeiten
bietet. Im Vergleich zum SFIMM und SIMM ist er durch seine einfachere Konstruktion
leichter handhabbar und ist von Verstopfungen seltener betroffen.
2. Theoretische Grundlagen
35
Abb. 2.21 [Ziegenbalg]: A: CFD-Simulation von Fluidströmen Hexan (rot) und THF (blau)
B: Konzentrationsprofil von Hexan innerhalb der 300 µm Raupe
2. Theoretische Grundlagen
36
2.6.4 Vergleich der verschiedener Architekturen
Abbildung 2.22 zeigt einen Vergleich von Mischzeiten bei asymmetrischen und
symmetrischen Flussbedingungen. Es fällt auf, dass der benutzte 300 µm-Raupenmischer
sowohl bei asymmetrischen als auch bei symmetrischen Flussbedingungen ähnliche
Ergebnisse liefert. Das Mischprinzip der Multilamination im SIMM wird bei den
asymmetrischen Flussbedingungen bestätigt. Durch die hydrodynamische Fokussierung
aufgrund der Asymmetrie, werden die Lamellen komprimiert und die Mischzeiten um
Größenordnungen verringert.
Abb. 2.22 [Ziegenbalg]: Mischzeiten unterschiedlicher Mikromischer von asymmetrischen (links)
zu symmetrischen Flussbedingungen (rechts)
In Tabelle 2 sind die Mischzeiten und Reynoldszahlen für einige Mikromischer aufgelistet.
Während die Mischzeiten von SIMM und CPMM im ähnlichen Bereich von 1-30 ms liegen,
erzeugt der SFIMM noch schnellere Mischungen.[76, 84]
Tab. 2: Mischkennzahlen verschiedener Mikromischer[76]
Flussraten
1,8
1,8
0,17
1,8
Re
tM,95%
Re
tM,95%
Y-Mixer
174
4940
88
2919
300 µm Raupe
465
9
230
26
600 µm Raupe
228
79
115
239
SIMM
1293
3
652
1
Flussrate 1 ist konstant bei 1,8 ml/min. Damit ergeben sich einmal symmetrische (links)
und asymmetrische (rechts) Flussbedingungen;
tM,95% (in ms) ist die Mischzeit bei der die Lösungen zu 95% homogenisiert ist
SIMM
CPMM
2. Theoretische Grundlagen
37
2.7 Beladung von Polymersomen
Für spätere Anwendungen von Polymersomen als Hohlstrukturen müssen diese weiter
funktionalisiert bzw. beladen werden können. Da die PB-Membran sogar den inneren Kern
vor einer pH-Veränderung schützen kann, eignen sich die Hohlstrukturen als
Nanoreaktoren.[32] Sie schützen das Innere effektiv und haben abhängig von ihrer Größe ein
definiertes Reaktionsvolumen. Eine enge Größenverteilung der Polymervesikel ist daher
zwingend erforderlich, um diese Nanoreaktoren gezielt einsetzen zu können. Neben der
Einsatzmöglichkeit als Reaktionsgefäß bietet sich auch die Möglichkeit, diese Vesikel als
Wirkstoffträger oder Marker für biomedizinische Anwendungen zu nutzen. Sie zeichnen sich
zusätzlich durch eine niedrige Toxizität aus.[88]
Neben der direkten Modifikation des Polymers anhand der reaktiven Gruppen (Abschnitt
2.3.3), bieten seine amphiphilen Eigenschaften zwei verschiedene Arten von Beladungen
während der Selbstorganisation, nämlich hydrophile und hydrophobe Einlagerungen.
Die wichtigste Eigenschaft der vesikulären Hohlstruktur ist der mit Wasser gefüllte innere
Kern.
Müller et al. zeigte die erfolgreiche Einlagerung des Farbstoffs Phloxin-B in die
Polymersomen und konnte dabei auch die schützende Wirkung der Polybutadienschale vor
dem äußeren Lösungsmittel nachweisen.[32]
Aufgrund der sehr stabilen und dicken Membranwand der PB-PEO Vesikel, können
hydrophobe Beladungen ebenfalls leicht realisiert werden. Müller zeigte, dass sowohl eine
hydrophobe Beladung mit dem Farbstoff Nilrot als auch Nanopartikel wie Quantum Dots
möglich ist.[89] Durch Cryo-TEM Analysen konnte der Einlagerungsort dieser Quantum Dots
innerhalb der PB Membran bestimmt werden. Die Membrandwand von Polymersomen ist im
Vergleich zu der von Liposomen dicker und erhöht die Kapazität für hydrophobe Moleküle
und Partikel stark. In dieser Arbeit werden neben der Beladungsmöglichkeit mittels
Mikromischer auch dessen Auswirkungen auf die Selbstorganisation untersucht.
Die eingesetzten Partikel werden im folgenden noch einmal ausführlich behandelt.
2. Theoretische Grundlagen
38
2.7.1 Quantum Dots
Durch den Einzug der Nanotechnologie in die Halbleiterchemie konnten sehr stark
fluoreszierende Nanopartikel – sogenannte „Quantum Dots“ – entwickelt werden. Quantum
Dots aus Cadmiumselenid (CdSe) sind mittlerweile sehr gut untersucht und zeichnen sich
durch starke Fluoreszenz in unterschiedlichen Wellenlängen aus. Die Partikel haben etwa
einen Durchmesser von 1-10 Nanometer und zeigen ein anderes physikalisches Verhalten als
das korrespondierende Bulkmaterial.[90, 91]
Der Halbleiter stellt den Grenzfall zwischen einem Leiter und einem Nichtleiter dar. Die
sogenannten Energiebänder, bestehend aus mit Elektronen gefülltem Valenzband VB und
leerem Leitungsband LB, überlappen bei einem Leiter. Der Halbleiter zeichnet sich durch
eine konstante Bandlücke Eg(Bulk) aus, da die Bänder sich hier nicht überlappen. Anders als
bei einem Nichtleiter können bei einem Halbleiter durch geringe Energiezufuhr Elektronen
vom Valenzband ins Leitungsband überspringen.
Abb. 2.23 [Klimov]: a) Bandlücke eines Halbleiters; b) Nötige Photonenenergie für Anregungszustände
c) Absorptionsschema im Bulk und korrspondiereende Quantumdots[92]
Energiebänder bilden sich aus, wenn sich diskrete Energiezustände durch Annäherung
anderer Atome verschieben. Je größer die Anzahl zusammenhängender Atome im
Bulkmaterial, desto geringer wird der Abstand und die diskreten Energiezustände gehen in
Bänder über. Nanokristalle im Bereich von 1-10 nm zeigen zwar schon eine Verschiebung der
Energiezustände, haben aber noch keine Energiebänder. Je größer das Nanopartikel ist, desto
kleiner wird die Energielücke Eg(QD) bis sie dem des Bulkmaterials entspricht. Dies wird als
Größenquantisierungseffekt bezeichnet (Abb. 2.23).[92]
Quatum Dots bilden durch Absorption ein Elektron-Loch-Paar. Bei der Rekombi-nation von
diesem Paar wird Fluoreszenzstrahlung freigesetzt. Durch die Anpassung der Größe der
Nanopartikel können unterschiedliche Wellenlängen des emittierten Lichts realisiert werden.
2. Theoretische Grundlagen
39
Zum Beispiel emittieren 10 nm große Partikel rotes Licht, während nur 2 nm große Partikel
durch die größere Energielücke blaues, energiereicheres Licht aussenden.
Durch die große Oberfläche im Vergleich zu ihrem Volumen sind solche Partikel chemisch
leicht angreifbar. Um sie gegen Photooxidation oder andere Einflüße zu schützen, werden
diese Partikel oft mit zusätzlichen anorganischen Schalen versehen. Hierbei wird oft CdS,
ZnS oder beides verwendet (Abb. 2.24). Außerdem erhöhen diese Schalen die
Fluoreszenzquantenausbeute. Um vor Aggregation in Lösungsmitteln zu schützen, werden
zusätzlich entweder hydrophobe Oberflächenliganden wie Trioctylphosphinoxid (TOPO) oder
cis-9-Octadecensäure (Ölsäure) verwendet. Es können aber auch hydrophile
Funktionalisierungen mit PEG durchgeführt werden, um diese wasserlöslich zu machen.[93,
94]
Neben der hohen Fluoreszenzausbeute und Stabilität, bieten diese Nanopartikel einen guten
Kontrast im Transmissionselektronenmikroskop. Die in dieser Arbeit verwendeten Quantum
Dots mit Fluoreszenzwellenlänge bei ca. 600 nm (Kern-Schale-Schale CdSe/CdS/ZnS mit
5,7 nm Durchmesser) wurden von Michaela Wagner (AK Basche, Universität Mainz) analog
zur Literatur synthetisiert[91, 95, 96]. Kern-Schale-Schale Quantum Dots mit
Fluoreszenzwellenlänge von 530 nm wurden von Can GmbH (Hamburg) bezogen. Beide
Nanopartikel sind mit hydrophoben Oberflächenliganden funktionalisiert und können nur
innerhalb der hydrophoben Schale eingebaut werden.
Abb. 2.24: Kern-Schale-Schale Quantum Dot (CdSe-CdS-ZnS)
2. Theoretische Grundlagen
40
2.7.2 Super-Paramagnetische Eisenoxidnanopartikel
Eisenoxidnanopartikel sind aus der heutigen Medizintechnik nicht mehr weg zu denken.
Durch ihre Biokompatibilität werden sie bereits als MRT-Kontrastmittel eingesetzt.[97] Die
etwa 5-20 nm großen Partikel zeigen superparamagnetische Eigenschaften mit hoher
Sättigungsmagnetisierung. Durch die relativ einfache und kostengünstige Synthese werden sie
auch in der Forschung als stimuli-responsive Materialien für Wirkstofftransport oder
Hyperthermie verwendet. [98, 99]
Die meisten Eisenoxidnanopartikel bestehen aus Maghemit (γ-Fe2O3) oder Magnetit (Fe3O4).
Magnetit kristallisiert in einer inversen Spinell Struktur mit kubisch-flächenzentrierter
Elementarzelle, dabei liegen die Sauerstoffatome in einer kubisch dichtesten Kugelpackung
vor. Die Tetraederlücken werden durch FeIII besetzt, während Oktaederlücken sowohl von
FeII als auch FeIII besetzt werden. Dies führt zur inversen Spinellstruktur FeIII[FeIIFeIII]O4,
wobei die Atome, die innerhalb der eckigen Klammer angebeben sind, die Oktaederlücken
besetzen.
Im Unterschied zu Hämatit ist Maghemit trotz seiner gleichen Zusammensetzung aus Fe2O3
stark magnetisch. Das resultiert aus einer Defektstruktur, da es sich zum Beispiel durch
Oxidation von Magnetit bildet. Diese Oxidation der Eisen-atome ist mit einer Wanderung von
Kationen innerhalb des Kristallgitters verbunden. Die sich daraus ergebende Summenformel
lautet 0,75FeIII3/4[FeIII5/3X1/3]O4 (X: Leerstelle). Die ungeordnete Struktur unter-schiedlicher
Oxidationsstufen führt zu einem Ungleichgewicht der Spinorientierung und resultiert in einem
ferrimagnetischen Verhalten des Materials. Die ähnliche Struktur erklärt auch, warum sich
aus Magnetit Maghemit bildet. Bei der Synthese von Nanopartikeln ergeben sich folglich oft
Mischungen aus diesen beiden Varianten des Eisenoxids.
Bezüglich der magnetischen Eigenschaften hat Magnetit (Ms(300 K) = 92 emu/g) eine höhere
Sättigungsmagnetisierung als Maghemit (Ms(300K) = 78 emu/g). Durch die relativ einfach
ablaufende Oxidation ist es instabil und findet daher seltener Anwendungen.[100]
Die verwendeten Eisenoxidnanopartikel wurden als sogenanntes Ferrofluid gekauft. Es
besteht aus Magnetitpartikeln mit einem Durchmesser von 5-10 nm. Diese Partikel wurden
durch basische Fällung einer Mischung aus FeII und FeIII Salzen hergestellt und mittels
Ölsäure hydrophob stabilisiert.[101] Es besteht zu etwa 80w% aus Eisenoxid und ist in
Mineralöl gelöst. Durch die Hydrophobizität ist nur eine Einlagerung innerhalb der
hydrophoben Schale im Polymersom möglich, da sie andernfalls in Wasser ausfallen.
2. Theoretische Grundlagen
41
2.7.3 Beladung mittels Mikromischer
In den vorhergegangen Arbeiten von Müller ist vor allem auf die hydrophile und hydrophobe
Beladung eingegangen worden. Dabei erfolgte die Beladung sowohl während der Synthese
mittels Cosolvent als auch während der Filmrehydratation. Für die hydrophoben Partikel und
Farbstoffe war es schwierig eine effiziente Einkapselung zu ermöglichen. Dies lag an zur
Einlagerung gegenläufigen Abläufen, beispielsweise der Ausfällung von Nilrot innerhalb der
wässrigen Umgebung. Die Einlagerung von Quantum Dots mittels Cosolvent-Methode
scheiterte komplett und wurde deshalb ausschließlich mit der Filmrehydratation durchgeführt.
Die hydrophobe Oberflächenfunktionalisierung der Partikel führt zur Ausfällung noch bevor
die Selbstorganisation einsetzt. Genau hier bietet der Einsatz von Mikromischern einen
Ausweg.
Die Mikromischertechnologie ermöglicht während der kontinuierlichen Synthese eine
Beladung der Vesikel. Im Mikromischer werden die Lösungen gleichmäßig und schnell
gemischt. Die für die Cosolvent-Methode benötigte Zeit wird dabei sehr stark verkürzt. Eine
Fällung kann eventuell verhindert werden, indem die Zeitspanne zwischen Fällung und
Einsetzen der Selbstorganisation verkürzt wird.
2. Theoretische Grundlagen
42
3. Charakterisierungsmethoden
43
3 Charakterisierungsmethoden
3.1 Transmissionselektronenmikroskopie
Mit dem Ziel immer kleinere Strukturen (z.B. von Nanopartikeln) beobachten zu können,
musste das Auflösungsvermögen im Vergleich zu konventionellen Mikroskopen deutlich
verbessert werden.
Beim Transmissionselektronenmikroskop werden beschleunigte Elektronen anstelle
sichtbaren Lichts verwendet. Die Strahlung von elementaren Teilchen wie z.B. Elektronen
besitzt eine erheblich kürzere Wellenlänge (λ~ 10-3 nm) als Licht (λ~ 380-750 nm). Daher
erreicht man mit dem Transmissions-elektronenmikroskop im Vergleich zum Lichtmikroskop
(δmin= 200 nm) eine wesentlich bessere Auflösung (δmin= 0,1-0,2 nm).
Das Auflösungsvermögen konnte soweit verbessert werden, dass Probenuntersuchungen im
atomaren Bereich möglich sind. Beim Transmissionselektronenmikroskop durchstrahlen die
Elektronen das Probenmaterial, das zu diesem Zweck entsprechend dünn sein muss. Es ist ein
Arbeiten im Hochvakuum im Bereich von 10-2 -10-8 Pa notwendig, da andernfalls die
Elektronen von Gasmolekülen gestreut würden. Wie auch mit einem Lichtmikroskop, können
mit einem Transmissionselektronenmikroskop Aufnahmen im Hell- und Dunkelfeld
angefertigt werden. Darüber hinaus bietet
TEM auch noch die Möglichkeit zur
Aufnahme von Beugungsbildern.
Als Strahlenemitter kommen im TEM vor
allem thermische und Feld-emissionsquellen
zum Einsatz.
Der Strahlengang eines TEM gleicht dem
eines Lichtmikroskops (Abb. 3.1). [102]
Allerdings bestehen die Linsen hier nicht
aus lichtbrechendem Glas, sondern aus
elektromagnetischen Spulen die die
Elektronen ablenken. Die Abbildung erfolgt
durch einen Leuchtschirm, der die
Elektronen in sichtbares Licht umwandelt
bzw. durch eine CCD-Kamera, die eine leichte Datenverarbeitung ermöglicht.[102]
Abb. 3.1 [Vogel]: Strahlengang eines TEM (l)
analog zum Lichtmikroskop (r)
3. Charakterisierungsmethoden
44
Die Probenpräparation erfolgt durch Eindampfen einer gelösten Probe auf einem
graphitbeschichteten Kupfernetz (Grid) bzw. durch Anfertigung extrem dünner Schnitte fester
Proben. Dünne Schichten werden vom Elektronenstrahl durchleuchtet und streuen ihn
Aufgrund ihrer Dicke bzw. ihrer Ordnungszahl der beinhalteten Atome (Massen-Dicken-
Kontrast). Auf dem Leuchtschirm bzw. CCD-Sensor entsteht dadurch eine
Intensitätsverteilung, die der Probenstruktur entspricht und abgebildet werden kann.
Das Eindampfen ist für die Verwendung im Hochvakuum zwingend notwendig, daher müssen
die untersuchten Proben im trockenen Zustand stabil sein. Die Struktur von Polymersomen
muss fixiert werden, wie dies bei der Vernetzung der
PB-PEO-Vesikel möglich ist (siehe Abs. 2.3.3). Bei den meisten Polymersomen ist eine
derartige Fixierung nicht möglich. Es muss auf Cryo-Tem zurückgegriffen werden, um sie
und unvernetzte PB-PEO-Vesikel im natürlichen Medium abbilden zu können.
3.1.1 Cryo-Transmissionselektronenmikroskop (Cryo-TEM)
Die Cryo-Transmissionselektronenmikroskopie ist eine Methode zur Messung von
Materialien, die in ihrem natürlichem Medium Wasser abgebildet werden sollen. Die
wasserlösliche Probe wird hierbei auf ein dünnes Kupfernetz aufgetragen und durch Abtupfen
vom übrigen Wasser befreit, so dass nur noch ein sehr dünner Wasserfilm auf dem Netz
zurückbleibt. Anschließend wird die Probe in flüssigem Propan schockgefroren. Bei diesem
Gefriervorgang bleibt dem Wasser nicht genügend Zeit um auszukristallisieren und die Probe
wird in glasartigem Wasser konserviert. Das glasartige Wasser bietet nur einen sehr geringen
Kontrast und eignet sich daher besonders gut als Matrix für die Elektronenmikroskopie. Die
Probe darf auf keinen Fall zwischenzeitlich auftauen, da sonst das Wasser zu kristallisieren
beginnt und die Probe unwiderruflich trübt und somit eine Analyse unmöglich macht.[103]
3. Charakterisierungsmethoden
45
3.2 Lichtstreuung
Die Lichtstreuung bietet eine zerstörungsfreie Analyse von gelösten Proben und liefert
sowohl statische als auch dynamische Informationen. Sie hat sich zu einer sehr wichtigen
Methode zur Charakterisierung von Polymeren entwickelt.[104] Für dieses Verfahren werden
Laser eingesetzt, deren Licht von einer Probe gestreut und anschließend analysiert wird. Das
elektrische Feld des Laserlichts regt die Elektronenhüllen der Probe zu Schwingungen an.
Durch die Schwingung entsteht ein Herz ‘scher Dipol und sendet durch elastische Streuung
Licht mit der gleichen Wellenlänge in alle Raumrichtungen aus. Diese gestreute Strahlung
wird mittels eines Detektors, wie in Abb. 3.2 dargestellt, winkelabhängig analysiert.
Die gestreute Strahlung kann auf zwei verschiedene Weisen ausgewertet werden. Wird das
zeitliche Mittel der gestreuten Strahlung betrachtet, liefert dies die statischen
Lichtstreueigenschaften wie Gewichtsmittel der Molmasse, den zweiten Virialkoeffizienten
des osmotischen Drucks A2 oder das z-Mittel des Trägheitsradius.
Bei der dynamischen Lichtstreuung werden die zeitlichen Fluktuationen des gestreuten Lichts
betrachtet, welche uns dann die dynamischen Eigenschaften wie das z-Mittel des
Diffusionskoeffizienten liefert, das wiederum die Berechnung des hydrodynamischen Radius
erlaubt.
3.2.1 Statische Lichtstreuung (SLS)
Das Phänomen der Lichtstreuung wurde zuerst von Lord Rayleigh ausführlich erforscht. Er
erstellte die erste Formel die den von Tyndall beobachteten Effekt, dass kürzere Wellenlängen
stärker streuen als längere Wellenlängen, in einer Formel dar:
Abb. 3.2: Aufbau einer Lichtstreuanlage
Detektor
Primärstrahl
I0, λ
transmittierter Strahl
Iθ
θ
Probenzelle
3. Charakterisierungsmethoden
46
𝑅(𝜃)= 𝐼𝑟²
𝐼0=16𝜋4
𝜆0
4∑𝑁𝑘
∞
𝑘=1 𝛼𝑘
2(1 + cos ²𝜃) (3.1)
R(θ): Rayleighverhältnis als Funktion des Streuwinkels θ
I: Intensität des gestreuten Lichts
I0: Intensität des Primärstrahls
r: Abstand des Detektors von der Probe
λ0: Wellenlänge des eingehenden Strahls
Nk : Anzahl der Streuzentren
αk : Polarisierbarkeit des Streuzentrums k
θ: Winkel zwischen Primärstrahl und gestreutem Strahl
Die gemessene Streuintensität wird meist nur in relativen Einheiten gemessen. Daher wird
zunächst die absolute Streuintensität der reinen Lösungsmittel mittels spezieller
experimenteller Aufbauten bestimmt. Diese Flüssigkeiten werden dann zur Kalibrierung
benutzt, um andere absolute Streuintensitäten zu bestimmen. Für das Rayleighverhältnis
ergibt sich nun:
𝑅(𝜃)=𝐼𝐿ö𝑠𝑢𝑛𝑔−𝐼𝐿ö𝑠𝑢𝑛𝑔𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑙
𝐼𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑 ∙𝑅𝑅𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑 (3.2)
Damit können alle speziellen Parameter, die vom experimentellen Aufbau herrühren, wie
Streuvolumen, Abstand vom Detektor r, Primärstrahlintensität eliminiert werden.
Smoluchowski, Einstein und Debye entwickelten die Fluktuationstheorie. Nach dieser
Theorie beruht die Streuung des Lichts auf Schwankungen der Polarisierbarkeit α,
hervorgerufen durch Dichte- und Konzentrations-schwankungen in Folge der thermischen
Bewegung im Streumedium.
𝑅(𝜃)= 4𝜋²
𝜆0
4𝑁𝐿�𝜌∙𝑛0
2�𝑑𝑛
𝑑𝜌�2𝑅𝑇𝛽+ �𝑛0𝑑𝑛
𝑑𝑐�2𝑅𝑇𝑀0
𝜌0𝑐
�−𝑑∆µ
𝑑𝑐 �� (3.3)
NL : Loschmidtkonstante
𝜌, 𝜌0: Dichte der Lösung und des Lösungsmittels
n, n0 : Brechungsindex der Lösung und des Lösungsmittels
R: Universelle Gaskonstante
T : Absolute Temperatur in Kelvin K
β : Isotherme Kompressibilität
M0 : Molare Masse des Lösungsmittels
c : Konzentration des gelösten Materials
�−𝑑∆µ
𝑑𝑐 �: Differenz der chemischen Potentiale der Lösung und des Lösungsmittels
�𝑛0𝑑𝑛
𝑑𝑐�: Brechungsindexveränderung bedingt durch Konzentrationsschwankungen
�𝑑𝑛
𝑑𝜌�: Brechungsindexveränderung bedingt durch Dichtefluktuation
3. Charakterisierungsmethoden
47
Da die Streuintensität der Lösung in Relation zu der des reinen Lösemittels gemessen wird,
sind Dichteschwankungen und Temperatureffekte für verdünnte Polymerlösungen
vernachlässigbar. Nur die Konzentrationsschwankungen sind zu berücksichtigen.
𝑅(𝜃)=𝑅(𝜃)𝐿ös𝑢𝑛𝑔−𝑅(𝜃)𝐿ö𝑠𝑒𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑙 =4𝜋²𝑛0
2
𝜆0
4𝑁𝐿�𝑑𝑛
𝑑𝑐�2𝑅𝑇𝑀0𝑐
𝜌0�−𝑑∆µ
𝑑𝑐 � (3.4)
Die Änderung der chemischen Potentiale mit der Konzentration kann auch als Änderung des
Osmotischen Drucks beschrieben werden:
−�𝑑∆µ
𝑑𝑐 �=𝑀0
𝜌0�𝑑Π
𝑑𝑐� (3.5)
Mit der Reihenentwicklung des Osmotischen Drucks
�𝑑Π
𝑑𝑐�=𝑅𝑇�1
𝑀+ 2𝐴2𝑐+ 3𝐴3𝑐²+. . . . � (3.6)
A2,A3 : Virialkoeffizienten des Osmotischen Druckes
ergibt sich nun die Lichtstreuungsgleichung für kleine Teilchen (d ≤ λ/20):
𝐾𝑐
𝑅(𝜃)=�1
𝑀+ 2𝐴2𝑐+ 3𝐴3𝑐²+. . . . � (3.7)
mit 𝐾=4𝜋²𝑛0
2
𝜆0
4𝑁𝐿�𝑑𝑛
𝑑𝑐�2der optischen Konstante (3.8)
M: Molare Masse des gelösten Stoffes
Für größere Teilchen gilt diese Gleichung nicht mehr, da intrapartikuläre Interferenzen
auftreten. Diese schwächen mit zunehmendem Streuvektor die Intensität des gestreuten
Strahls ab. Der Partikelformfaktor 𝑃(𝑞) beschreibt diesen Verlauf der Intensität mit dem
Streuvektor 𝑞.
𝑃(𝑞)=1
𝑁²∑ ∑ 〈𝑒𝑥𝑝(𝑖𝑞𝑟)〉
𝑁
𝑗
𝑁
𝑖 (3.9)
𝑞=|𝑞|=4𝜋𝑛
𝜆0𝑠𝑖𝑛�𝜃
2� (3.10)
Unter Berücksichtigung von Formel (3.9) ergibt sich nun mit einigen Vereinfachungen die
bekannte Zimmgleichung (3.11), deren Auswertung das Gewichtsmittel der Molmasse Mw,
den z-gemittelten quadratischen Trägheitsradius und den 2.Virialkoeffizienten des
Osmotischen Drucks erlaubt.
3. Charakterisierungsmethoden
48
𝐾𝑐
𝑅(𝜃)=1
𝑀𝑤�1 + 1
3𝑞²〈𝑅𝑔
2〉𝑧+....�+ 2𝐴2𝑐+. . .. (3.11)
mit 𝑀𝑤=∑𝑐𝑖𝑀𝑖
∑𝑐𝑖 (3.12)
Abb. 3.3 [Tieke]: Auswertung mit Hilfe des Zimmplots
Mit Hilfe des Zimmplots (Abb. 3.3) kann man experimentell die gewichtsgemittelte
Molmasse, den zweiten Virialkoeffizienten A2 und den z-gemittelten Trägheitsradius
bestimmen. [105]
3.2.2 Dynamische Lichtstreuung (DLS)
Mit Aufkommen des Computerzeitalters wurde die gesamte Elektronik immer weiter
verbessert. Somit wurde es möglich Zeitabstände im Nanosekundenbereich aufzulösen. Dies
ist die Grundlage der dynamischen Lichtstreuung.
Hierbei wird nicht wie bei der statischen Lichtstreuung ein zeitliches Mittel der Streuintensität
betrachtet, sondern die Intensitätsfluktuation.
Durch die Diffusion gelöster Partikel in der Probe werden die Fluktuationen der
Streuintensität ausgelöst. Dabei bewegen sich größere Partikel bei gleicher Temperatur
bedingt durch die Brown‘sche Molekularbewegung langsamer als kleine Teilchen. Daher ist
die Veränderung der Intensität bei kleinen Teilchen schneller als bei den Proben mit größeren
Teilchen.
3. Charakterisierungsmethoden
49
Um nun den Diffusionskoeffizienten der Teilchen zu bestimmen, werden die detektierten
Photonen mit sich selbst korreliert. Dazu benutzt man die Autokorrelationsfunktion, die dem
Produkt aus Streuintensität zum Zeitpunkt t und dem Zeitpunkt t+n*τ entspricht.
𝑔2(𝜏)=〈𝐼(t)𝐼(𝑡+𝑛∙𝜏)〉 (3.13)
τ stellt dabei das kleinste mögliche Zeitintervall dar. Dies wird für sehr viele n und
unterschiedliche Startzeiten wiederholt und anschließend über alle Werte gemittelt. Als
maximalen Wert für g2(𝜏) erhält man nun das Quadrat der Streuintensität <I²> zum Startpunkt
t. Mit zunehmender Korrelationszeit fällt diese Funktion auf den Wert <I>² ab (Abb. 3.4). Bei
kleinen Teilchen fluktuiert das Signal deutlich schneller. Somit fällt die Korrelationsfunktion
schneller ab als bei größeren Teilchen, die eine längere Korrelationszeit aufweisen.[106]
Abb. 3.4 [Schärtl]: Fluktuation der Streuintensität (links) mit
korrespondierender Autokorrelationsfunktion g2(t) (rechts)
Die Siegert-Relation
𝑔1(𝜏)= B ∙exp(−𝑞²𝐷𝜏)=� 𝑔2(𝜏)−𝐴
𝐴 (3.14)
liefert aus der Autokorrelationsfunktion 𝑔2(𝜏). und der experimentell ermittelten Basislinie
A=<I>² die Amplitudenkorrelationsfunktion 𝑔1(𝜏). Die Funktion folgt einem einfach
exponentiellen Abfall. Dabei steht B für das Signal-Rausch-Verhältnis und kann durch den
optischen Aufbau des Experiments beeinflusst werden. Die Konstante D ist der translatorische
Diffusionskoeffizient, q ist der Streuvektor und hängt von der gewählten Wellenlänge des
Laserlichts und dem Winkel ab. Für monodisperse und monomodale Partikel ergibt sich bei
logarithmischer Auftragung eine Gerade mit der Steigung –q²D.
3. Charakterisierungsmethoden
50
Bei monodispersen aber polymodalen Proben ergeben sich unterschiedliche
Diffusionskoeffizienten, welche zu einer bimodalen Funktion wie in Abb. 3.5 führen. Dazu
muss jedoch der Unterschied der Diffusionskoeffizienten mindestens Faktor 3 betragen.
Unterhalb dieses Faktors gehen beide Funktionen ineinander über, wodurch eine
differenzierte Betrachtung nicht mehr möglich ist.
Für polydisperse Partikel ergibt sich die Korrelationsfunktion aus der Summe aller
Exponentialfunktionen der einzelnen Komponenten i:
𝑔1(𝜏)=𝐵∑𝑚𝑖𝑀𝑖𝑒𝑥𝑝�−𝑞2𝐷𝑖𝜏�
∑𝑚𝑖𝑀𝑖 (3.15)
Bei einer logarithmischen Auftragung erhält man nun bei sehr kleinen Winkeln den
apparenten Diffusionskoeffizienten. Dieser ist eine Wichtung aller Partikelfunktionen.
�𝑑�𝑙𝑛𝑔1(𝜏)�
𝑑𝑡 �𝑡→0 =−𝑞²∑𝑚𝑖𝑀𝑖𝐷𝑖
∑𝑚𝑖𝑀𝑖≡−𝑞²𝐷𝑎𝑝𝑝 (3.16)
Hierbei werden sowohl die Korrelationsfunktionen der kleinen, aber auch der großen Teilchen
berücksichtigt.
𝑔1(𝑞,𝜏)=∑𝑛𝑖Mi2Pi(q)∙exp(Diq²τ) (3.17)
Eine Möglichkeit zur Auswertung dieser Funktion ist die Annäherung mit einer
Kumulantenreihe, welche allerdings nur für kleine Abweichungen von <20% gilt.
𝑙𝑛𝑔1(𝑞,𝜏)=−𝜅1𝜏+𝜅2
2!𝜏²−𝜅3
3!𝜏³+. … (3.18)
Der erste Kumulant 𝜅1=𝐷𝑠
�
�
�
𝑞² (3.19)
liefert den gemittelten Diffusionskoeffizienten Ds und damit einen Mittelwert des
hydrodynamischen Radius der Partikel. Der zweite Kumulant ist
𝜅2=�𝐷𝑠2
�
�
�
�
−𝐷𝑠
�
�
�
2�𝑞4 (3.20)
und liefert bei rein translatorischen Bewegungen ein Maß für die Polydispersität der Probe
an.[107]
Abb. 3.5 [Schärtl]: Bimodale Korrelationsfunktion mit unterschiedlichen logarithmischen Auftragungen
3. Charakterisierungsmethoden
51
𝜎𝐷=�𝐷𝑠
2
�
�
�
�
−𝐷𝑠
�
�
�
�
2
𝐷𝑠
�
�
�
�
=�𝜅2
𝜅1
2=õ2 (3.21)
µ2-Werte unter 0,04 zeigen also eine Abweichung von weniger als 20% an. Es handelt sich
hier um eine starke Vereinfachung, denn die Polydispersität hängt auch von der
Verteilungsfunktion der Partikelgrößen wie zum Beispiel einer Gaußverteilung ab.
Wie bereits gezeigt, ist der ermittelte Selbstdiffusionskoeffizient durch die Wichtung mit dem
Partikelformfaktor q-abhängig. Das bedeutet, dass kleinere Teilchen bei größerem Winkel
mehr gewichtet werden, da sich durch intrapartikuläre Interferenzen bei größeren Winkeln für
große Teilchen ein kleinerer Formfaktor ergibt (Abb. 3.6).[106]
Abb. 3.6 [Schärtl]: Verlauf der Formfaktoren
bei einer polydispersen Probe
Gleichung 3.23 zeigt uns nun den vereinfachten apparenten Diffusions-koeffizienten Dapp(q).
Unter Vernachlässigung der Konzentrationsabhängigkeit von A2 lässt sich durch
Extrapolation gegen q=0 der z-gemittelte Diffusionskoeffizient <D>z erhalten (Abb. 3.7).
𝐷𝑎𝑝𝑝(𝑞)=𝐷𝑠,𝑧�1 + 𝐾〈𝑅𝑔
2〉𝑧𝑞2� (3.22)
3. Charakterisierungsmethoden
52
Abb. 3.7: Ermittlung des z-gemittelten
Diffusionskoeffizienten durch Extrapolation gegen q=0
Die Berechnung des hydrodynamischen Radius erfolgt anschließend über die Stokes-Einstein-
Beziehung:
𝑅ℎ≡ �1
𝑅ℎ�𝑧
−1 =𝑘𝑇
6𝜋𝜂0𝐷𝑧 (3.23)
T steht hier für die Temperatur, η0 für die Lösemittelviskosität und k für die
Boltzmannkonstante.
3.2.3 Das
ρ
-Verhältnis
Das ρ-Verhältnis ist wie folgt durch den Trägheitsradius Rg und den kugeläquivalenten
hydrodynamischen Radius Rh definiert[108]:
𝜌=�〈𝑅𝑔
2〉𝑧
�〈1
𝑅ℎ〉𝑧�−1 (3.24)
Durch den Vergleich des experimentell aus statischer und dynamischer Lichtstreuung
bestimmten ρ-Wertes mit dem theoretisch berechneten Wert, ist es möglich Aussagen über
die Geometrie der untersuchten Makromoleküle zu treffen. Das theoretisch berechnete ρ-
Verhältnis harter Kugeln liegt bei 0,775 und für Hohlkugeln bei 1.[107]
<Dh>z
3. Charakterisierungsmethoden
53
3.3 Sekundärmethoden
3.3.1 UV-VIS-Spektroskopie
In der Spektroskopie im Allgemeinen beschäftigt man sich mit der Wechsel-wirkung von
elekromagnetischer Strahlung mit Materie. Die UV-VIS-Spektroskopie beschränkt sich auf
elektromagnetische Wellen im ultravioletten (UV) bzw. sichtbaren (engl. VISable)
Wellenlängenbereich. Trifft eine elektromagnetische Welle auf ein Molekül, kann es zur
Absorption, also Aufnahme der Energie, kommen. Dabei werden Valenzelektronen innerhalb
des Moleküls angeregt und auf höhere Energieniveaus angehoben. Durch Messung der
Absorption bei unterschiedlichen Wellenlängen kann man Rückschlüsse auf die Probe ziehen.
Informationen über Anwesenheit bestimmter Moleküle oder Bindungsverhältnisse sind
zugänglich. Durch Kalibrierung der Absorption lassen sich über das Lambert-Beer’sche
Gesetz auch Konzentrationen bestimmen.
Der Messaufbau besteht im allgemeinen aus einer Referenz- und einer Probenküvette. Licht
wird über einen Monochromator mit Wellenlängen zwischen 200 nm bis 800 nm abwechselnd
durch beide Küvetten geleitet. Das transmittierte Licht wird durch einen Detektor erfasst. Aus
der Differenz der beiden Signale ergibt sich die Absorption der Probe. Durch Auftragung der
Absorption gegen die Wellenlänge ergibt sich das UV-VIS-Spektrum.
3.3.2 IR-Spektroskopie
Die sogenannte Infrarot(IR)-Spektroskopie bezieht sich auf den Wellenlängenbereich, der
nicht mehr für das menschliche Auge sichtbar ist. Der Wellenlängenbereich erstreckt sich
über 1 bis 1000 µm bzw. im korrespondierenden Frequenzbereich von 31014 s-1 bis 31011 s-
1.
Die Energie, die nötig ist um Molekülrotationen und –schwingungen zu erzeugen, entspricht
der Strahlungsenergie dieses Frequenzbereichs. Die IR-Spektroskopie geht es also um die
Anregung von Molekülrotationen und -schwingungen durch elektromagnetische Strahlung.
Die Absorption von Strahlung dieses Frequenzbereichs ermöglicht somit die Zuordnung zu
bestimmten Strukturelementen eines Moleküls. Die IR-Spektroskopie kommt vor allem in der
chemischen Analytik zum Einsatz und ermöglicht die Konstitutionsaufklärung organischer
und anorganischer Materialien.
3. Charakterisierungsmethoden
54
3.3.3 Fluoreszenzspektroskopie
Fluoreszenzspektroskopie ermöglicht die Untersuchung fluoreszierender Moleküle oder
Partikel. Moleküle, die durch elektromagnetische Strahlung angeregt werden (Absorption in
Abb. 3.8), können diese aufgenommene Energie durch verschiedene Wege abbauen. Durch
die ablaufenden Schwingungsrelaxationen (SR) erreicht das Molekül seinen niedrigsten
Schwingungszustand des angeregten Zustandes. Durch Innere Konversion (IC) kann der
elektronisch angeregte Zustand S1 in den niedrigsten elektronischen Zustand übergehen, das
Molekül gibt seine aufgenommene Energie also nur durch Abgabe von Wärme ab. Bestimmte
Moleküle können aber auch aus elektronischen Zuständen ohne innere Konversion den
niedrigeren Zustand erreichen indem sie Strahlung abgeben. Dieses Verhalten nennt man
Fluoreszenz. Normalerweise ist die abgegebene Energie immer niedriger als die eingestrahlte
Energie (Stokessche Regel). Neben der Resonanzfluoreszenz, die die gleiche Wellenlänge
emmitiert die zuvor absorbiert wurde, kann
auch in seltenen Fällen Strahlung mit größerer
Energie emittiert werden. Diese Energie kann
zum Beispiel aus thermischer Energie
stammen [109]. Die möglichen Übergänge der
Energiezustände können mit dem Jablonski-
Diagramm dargestellt werden (Abb. 3.8).[110]
In Abb. 3.8 sind 2 verschiedene Mess-
aufbauten dargestellt. Hinter einer Lichtquelle,
die polychromatisches Licht zwischen 200-
800 nm aussendet, wird ein Monochromator
geschaltet. Mit dem monochromatischen Licht
wird die Probe durchstrahlt. Das von der Probe
abgestrahlte emittierte Licht wird im Winkel
von 90° detektiert. Auftretendes Streulicht wird
durch einen Filter abgefangen und ermöglicht
die Detektion des Fluoreszenzspektrums.
Abhängig von der Natur der Probe, kann es
vorkommen, dass die Fluoreszenz der Probe
durch Reabsorption stark geschwächt wird.
Abb. 3.8 [Petzke]: Jablonski-Diagramm mit den untschiedlichen
Formen von Absorption und Relaxation
Abb. 3.9: Aufbau zwei verschiedener Fluoreszenzsspektrometer
3. Charakterisierungsmethoden
55
Mit Hilfe der Front-Face Messung lässt sich diese Reabsorption verringern, da die emittierte
Strahlung nur noch einen sehr kurzen Weg durch die Probe zurücklegen muss.
Fluoreszenzmessungen werden durch ein Emissionsspektrum und ein Anregungsspektrum
bestimmt. Bei konstanter Anregungswellenlänge λex wird die Emission über verschiedene
Wellenlängen gemessen und liefert das Emissionsspektrum. Das Anregungsspektrum ergibt
sich aus Intensitätsmessungen einer konstanten Emissionswellenlänge λem bei
unterschiedlichen Anregungswellenlängen. Die Peakmaxima entsprechen oft denen, die in
Absorptionsmessungen ermittelt werden können. [110]
3. Charakterisierungsmethoden
56
4. Ergebnisse und Diskussion
57
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Polymere Nanopartikel durch Selbstorganisation
Abhängig von der Zusammensetzung amphiphiler Blockcopolymere bilden sich in Wasser
Nanopartikel mit unterschiedlichen Morphologien aus. Ein entscheidender Faktor ist wie
bereits in Kap. 2 beschrieben, das Größenverhältnis des hydrophoben zum hydrophilen Block.
Aus diesem ergibt sich die mögliche Krümmung der ausgebildeten Doppelschicht. Da sich
jedes Polymer in Hinsicht auf die Dichte, Knäuelung, Quellung, Oberflächenladung etc.
unterscheidet, muss jedes Blockcopolymer getrennt betrachtet werden.
Nach Discher et al. kann die Wanddicke der Vesikel bzw. die Mizellengröße von PB-PEO-
Polymeren anhand der Größe des hydrophoben Blocks bestimmt werden. TEM und Cryo-
TEM Aufnahmen erlauben die direkte Bestimmung der Wanddicke. Für PB130-PEO66-
OH/COOH ergibt sich im Cryo-TEM eine reine hydrophobe Wanddicke von 15-16 nm, da die
Polyethylenoxidketten durch Quellen im Wasser keinen ausreichenden Kontrast bietet. Die
hydrophile Schicht wurde bereits durch frühere Arbeiten auf 4 nm bestimmt (Mueller 2009).
Im TEM nach vorheriger Strukturfixierung mittels Gammastrahlung lässt sich ebenfalls eine
Wandstärke bestimmen. Allerdings liegt die PEO Schicht kollabiert auf der hydrophoben PB
Schicht, da sich kein stabilisierendes Wasser mehr um die Partikel befindet. Durch die
Vernetzung schrumpft die PB-Wand wieder etwas zusammen, wodurch die Ergebnisse
durchaus vergleichbar sind.
Discher et al. konnte zeigen, dass die Membrandicke d proportional zum Molekulargewicht
des Polybutadien-Blocks Mhb mit b = 0,5 - 0,66 ist.[111] Für niedrige Molekulargewichte des
hydrophoben Blocks ist b = 0,66, da hier das Polymer etwas gestreckter vorliegt. Für höhere
Molekulargewichte liegt das Polymer als Knäuel vor und somit ist b = 0,5. Auch für die
Polymere, die in dieser Arbeit verwendet wurden, kann diese Proportionalität bestätigt
werden. Tabelle 3 fasst die Molekulargewichte und die Membrandicken unterschiedlicher PB-
PEO Polymere zusammen. Für das Polymer PB130-PEO66 ergibt sich eine Membrandicke von
15,2 nm und für PB160-PEO50 16 nm. Abbildung 4.1 zeigt TEM-Bilder von vernetzten
Polymersomen dieser beiden Polymere. Durch die Bestimmung der Membrandicke aus TEM-
Aufnahmen kann diese Berechnung bestätigt werden. Es ergeben sich Membrandicken von 15
nm für das PB130-PEO66-Copolymer und etwa 16 nm für PB160-PEO60.
4. Ergebnisse und Diskussion
58
Tab. 3: Molekulargewichte und Membrandicken von PB-PEO-Polymeren
Polymer Mn
(kg/mol) fPEO Mh
(kg/mol)
d
(nm)
PB46-PEO26 3,6 0,32 2,5 9,6
*
PB55-PEO50 5,2 0,43 3,0 10,9
*
PB125-PEO80 10,3 0,34 6,8 14,8
*
PB250-PEO150 20,1 0,33 13,5 20,9
*
Verwendete Block Copolymere
PB130-PEO66 10,1
[40]
0,29 7,2 15,2
*
PB160-PEO60 11,3 0,23 8,7 16,8
*
Hydrophiler Anteil fPEO=m(PEO)/m(PB-PEO); Molekulargewicht des hydrophoben PB-Blocks Mh=Mn(1-fPEO);
(*) berechnet nach d~(Mh)b mit b=0,5 für PB125-250 bzw. 0,66 für PB46-55 [111]
4.1.1 Polymervesikel durch Filmrehydration
Polymervesikel aus Polybutadien-Polyethylenoxid und Pluronic® L121 können sowohl durch
Filmrehydration als auch durch die Colösemittel-Verfahren erhalten werden. Die in der
Filmrehydration erzeugten Nanopartikel benötigen allerdings eine aufwändige
Weiterverarbeitung mittels Extrusion bevor sie eine einheitliche Größe haben. In der Arbeit
von Müller konnte gezeigt werden, dass etwa 30fache Extrusion zu einheitlichen Partikeln
führt, durch Adsorption an der Membran aber auch Polymer verloren geht. Diese Art von
Synthese steht in der vorliegenden Arbeit nicht im Vordergrund, da sie nur für Anwendungen
geeignet ist, bei der man große Vesikel benötigt und deren Größenpolydispersität zweitrangig
ist.[89]
Abb. 4.1: Bestimmung der Membrandicke der Polymere PB
130
-PEO
66
(links) und
PB160-PEO60 (rechts)
4. Ergebnisse und Diskussion
59
4.1.2 Cosolventverfahren im Batch
Neben der Filmrehydration lassen sich Polymerpartikel aus Polybutadien-Polyethylenoxid
mittels Colösemittelzugabe synthetisieren. Müller[2006] zeigte, dass in THF gelöstes PB130-
PEO66-COOH durch langsame Zugabe von Wasser Polymersomen bildet. Unterschiedliche
Geschwindigkeiten der Lösungs-mittelzugabe führen zu unterschiedlich großen
Polymerpartikeln (Cosolvent-Methode). Während sehr schnelle Zugabe des selektiven
Lösungsmittels H2O zu kleinen Partikeln führt, entstehen bei langsamer Zugabe große
Polymervesikel. Durch die langsamere Veränderung der Lösungsmitteleigenschaften bleibt
dem Polymer mehr Zeit für die Selbstorganisation und ermöglicht größere Strukturen. In
Tabelle 4 sind die Radien der Polymerpartikel dargestellt, welche durch Zugabe von 5 ml
Wasser in eine 10 mg/ml konzentrierte Polymerlösung hergestellt wurden. Die Radien der
entstandenen Polymerpartikel wurden mittels Lichtstreuung bestimmt. Nach γ-Bestrahlung
erlaubte die TEM-Charakterisierung die dominierende Morphologie der Partikel zu
analysieren.
Wie schon in Arbeiten von Müller [89] bestätigt, bilden sich mittels Cosolvent-Methode beim
Polymer PB130-PEO66 mit OH bzw. COOH-Endgruppe vorwiegend Polymervesikel mit
30 bzw. 34 nm Radius aus. PB160-PEO90/COOH wurde, wie in Kapitel 2.3.2 beschrieben, auf
die zweite Syntheseart mittels Phosphazenbase erstellt. Das Polymer besitzt einen großen
PEO Rest und bildet mittels Cosolvent-Methode in Wasser nur Mizellen aus. Dies ist aus den
TEM Bildern und der dynamischen Lichtstreuung ersichtlich. Eine zweite Synthese mit
kürzerem PEO-Rest wurde erfolgreich durchgeführt und lieferte das Polymer PB160-PEO60
und PB160-PEO60-COOH, welche mittels Cosolvent-Methode in Wasser Vesikel ausbilden.
Tab. 4: DLS-Ergebnisse der Partikelsynthese im Batch
Polymer
<R
h
>
nm
µ2
TEM
Morphologie
PB130-PEO66 30 0,05 v
PB130-PEO66-COOH 34 0,05 v
PB160-PEO90 15 0,15 s
PB160-PEO90-COOH 15 0,15 s
PB160-PEO60 39 0,1 v
PB160-PEO60-COOH 60 0,1 v
Ausgangslösung: 5 mg Polymer in 2,1ml THF; Wasserzugabe: 5ml mit 9,9ml/h
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie nach Vernetzung: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
4. Ergebnisse und Diskussion
60
4. Ergebnisse und Diskussion
61
4.2 Vesikelbildung in Mikromischern
Das in dieser Dissertation behandelte Prinzip der Vesikelbildung im Mikromischer basiert auf
der Cosolvent-Methode. Dem guten Lösungsmittel THF wird das selektive Lösungsmittel
Wasser mittels Mikromischer zugesetzt. Das Lösungsmittel wird zunehmend selektiv für den
hydrophilen Block und löst schließlich bei unzureichender Löslichkeit des hydrophoben
Blocks die Selbstorganisation aus. Abbildung 4.2 zeigt ein vereinfachtes Schema der
Selbstorganisation von Blockcopolymeren mittels Cosolvent-Methode.
Durch Zugabe eines selektiven Lösungsmittels, beispielsweise Wasser, wird die
Selbstorganisation ausgelöst (START, siehe auch Abb. 4.3). Die zunächst molekular gelösten
amphiphilen Moleküle beginnen sich selbst zu organisieren. Ab welchem prozentualen Gehalt
des selektiven Lösungsmittels die Selbstorganisation einsetzt, ist von vielen Faktoren
abhängig. Nicht nur die Konzentration, wie sie bei der cmc von Tensiden entscheidend ist,
spielt hier eine große Rolle. Auch Temperatur, Molmasse bzw. die Monomereinheiten tragen
zu den Bedingungen der Selbstorganisation bei. Zuletzt sind auch die Lösungsmittel an sich
maßgeblich für die Selbstorganisation verantwortlich.
Abb. 4.2: Vereinfachtes Schema der Selbstorganisation von Blockcopolymeren mittels Cosolvent-Methode
4. Ergebnisse und Diskussion
62
Im Unterschied zu vielen Tensiden, die auch in reinem selektiven Lösungsmittel Wasser noch
Strukturen bilden können, kann die Selbstorganisation von bestimmten Block-Copolymeren
ab einem gewissen Anteil an selektivem Lösungsmittel kinetisch eingefroren werden. Diese
Polymere haben einen so großen hydrophoben Teil, dass die Löslichkeit der einzelnen Kette
im selektiven Lösungsmittel dann verschwindend gering ist. Ein Beispiel für ein solches
Polymer ist das in dieser Arbeit verwendete PB130-PEO66. Dessen großer hydrophober Teil
aus Polybutadien verhindert ab einem Gehalt von 70% Wasser die Selbstorganisation des
Polymers (Abb. 4.2: STOP).
Innerhalb eines bestimmten Lösungsmittelgemisches aus THF und Wasser hat das Polymer
ausreichend Möglichkeiten zur freien Selbstorganisation.
Abbildung 4.3 zeigt den zeitlichen Ablauf der Selbstorganisation eines amphiphilen Polymers
im Bereich freier Selbstorganisation zwischen START und STOP.
Der „Mechanismus 1“ der Bildung von Polymersomen ist hier dargestellt, da er sowohl für
dieses Polymer als auch für Lipide und Tenside bevorzugt wird (siehe Abschnitt 2.2).
Abb. 4.3: Selbstorganisation eines vesikelbildenden amphiphilen Block-Copolymers im Bereich der freien Selbstorganisation in der
Cosolvent Methode bei unterschiedlichen Konzentrationen und Zeiten
4. Ergebnisse und Diskussion
63
Am Anfang sind zunächst noch alle Polymerketten molekular gelöst und bilden zunächst
sphärische Mizellen aus. Durch Aufnahme von weiteren Polymerketten kann bereits die
bevorzugte lamellare Struktur durch eine Scheibe gebildet werden. Je höher die Konzentration
an Polymer, desto schneller verläuft sowohl die Mizellenbildung als auch das Anwachsen zu
Scheiben. Durch ihre ungünstigen Ränder sind diese Partikel aber instabil. Bei ausreichender
Größe, die durch das Volumen und die nötige Biegeenergie („bending energy“) gegeben ist,
kann sich diese Scheibe zu einem Vesikel umlagern. Höhere Konzentrationen führen dabei
nicht nur zu einer Erhöhung der Gesamtpartikelzahl, sondern es werden auch größere Vesikel
gebildet (siehe Abs. 2.2).
Diese Zeitabhängigkeit der Vesikelbildung und die Möglichkeit zur kinetischen Einfrierung
der Selbstorganisation mittels der Cosolvent Methode, kann Einblicke in den Mechanismus
der Selbstorganisation liefern. Durch die ungleichmäßige Durchmischung im Batch ist eine
Verwendung von Mikromischern zwingend vorteilhaft.
In Abschnitt 2.6 sind bereits die Mischungseigenschaften der verwendeten Mikromischer
besprochen worden. Asymmetrische Flussbedingungen liefern dabei sehr kurze Mischzeiten,
während symmetrische Flussraten zu deutlich längeren Mischzeiten führen.
Die Mischgeschwindigkeit ist bei den meisten Mikromischern abhängig von der
Flussgeschwindigkeit. Sogar Mikromischer, denen das interdigitale Mischprinzip zugrunde
liegt, erzielen nur bei sehr niedrigen Flussraten von wenigen Millilitern pro Stunde eine rein
diffusive Mischung.
Abb. 4.4: Vereinfachtes Flussprofil der verwendeten Mikromischer
4. Ergebnisse und Diskussion
64
Abbildung 4.4 zeigt ein vereinfachtes Flussprofil innerhalb einer Mischkammer der
Mikromischer. Bei den zunächst ausgebildeten laminaren Flussprofilen hängt die
Geschwindigkeit der Durchmischung nur von der Lamellendicke ab und ist vergleichsweise
langsam. Im turbulenten Strömungsbereich erhöht sich die Mischgeschwindigkeit um
Größenordnungen.
Nur bei niedrigen Flussgeschwindigkeiten wird eine von der Flussrate unabhängige Mischzeit
erhalten. Dies ist auf die Turbulenzen zurückzuführen, die erst bei zunehmender
Flussgeschwindigkeit auftreten. Die Mischzeiten verkürzen sich dann aufgrund von zwei
Faktoren. Die Turbulenzen entstehen nicht nur früher, sondern der Zeitraum, in dem sich die
Lösungen im laminaren Bereich aufhalten, wird durch die höhere Flussgeschwindigkeit
verkürzt.
Diese Flussratenabhängigkeit kann bei der Selbstorganisation amphiphiler Block-copolymere
mittels Cosolvent daher analog zu Abbildung 4.5 genutzt werden.
Je höher die Flussrate desto weniger Zeit bleibt der Selbstorganisation. Der Startpunkt zur
Selbstorganisation wird durch langsamere Flussgeschwindigkeiten bereits weiter am Anfang
der Mischkammer erreicht. Zum anderen entstehen viele Turbulenzen erst näher am Ausgang
Abb. 4.5: Vereinfachte schematische Flussratenabhängigkeit der erzielten Strukturen im Mikromischer unter gleichen
Lösungsmittelbedingungen
4. Ergebnisse und Diskussion
65
der Mischkammer. Allein durch die Flussratenveränderung könnte man also die
Selbstorganisation gezielt steuern.
Um der Selbstorganisation möglichst viel Zeit geben zu können, sollte der Startpunkt der
Selbstorganisation nahe am Eingang der Mischkammer sein. Dies lässt sich durch eine
Vormischung mit dem selektiven Lösungsmittel erzielen. Diese darf die Selbstorganisation an
sich noch nicht auslösen, aber sollte an der Grenze des tolerierbaren selektiven
Lösungsmittelgehalts liegen. Abbildung 4.6 zeigt die mögliche Einflussnahme auf die
gebildeten Strukturen bei gleichen Flussraten und Konzentrationen allerdings
unterschiedlichen Lösungsmittel-vormischungen.Die Erhöhung des Wassergehalts führt dann
zu einem früheren Beginn der Selbstorganisation. Trotzdem müsste der Abbruch für alle
Vormischungen fast zeitgleich erfolgen, da dieser im turbulenten Profilbereich des Mischers
erfolgt.
Abb. 4.6: Prinzip der Selbstorganisation bei unterschiedlichen Vormischungen
und unter gleichen Flussbedingungen
4. Ergebnisse und Diskussion
66
4. Ergebnisse und Diskussion
67
4.3 PB-PEO Polymersomen
4.3.1 Selbstorganisation von PB130-PEO66 im Mikromischer
Die Strukturbildung von amphiphilen Blockcopolymeren in selektiven Lösungsmitteln ist von
vielen Faktoren abhängig. Für das System PB130-PEO66 in Wasser zeigte sich, dass die
Probenpräparation einen starken Einfluss auf die gebildeten Strukturen hat (vlg. Abs. 2.3.1,
2.5).
Die Verwendung der Mikromischertechnologie ermöglicht die Verfeinerung der sogenannten
Cosolvent-Methode und liefert kontinuierliche, reproduzierbare Bedingungen. Eine Kontrolle
über die gebildeten Strukturen ist eine wichtige Voraussetzung für spätere Anwendungen.
Der Mikromischer erlaubt es zwei Fluidströme unter immer gleichen Bedingungen zu
mischen. Hier soll nur THF als gutes und Wasser als selektives Lösungsmittel behandelt
werden. Diese Bedingungen lassen sich durch Änderung der Flussraten,
Flussratenverhältnisse, Temperatur, Polymerkonzentrationen oder des Druckes gezielt
verändern und kontrollieren. Der kontinuierliche Mischprozess mit Flussraten bis zu 200 L/h
ermöglicht zudem ein Up-Scaling des Prozesses.
Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse der Mischung im SFIMM von 20 g/L PB130-PEO66 gelöst in
THF mit Wasser bei unterschiedlichen Flussgeschwindigkeiten. Die Morphologie wurde nach
Vernetzung mittels
γ
-Strahlung im TEM ermittelt (Abbildung 4.7). Unter allen
Flussbedingungen ist die einzige beobachtete Morphologie die der Mizelle. Auch die
Bestimmung der mittleren hydro-dynamischen Radien lässt nur geringe Veränderungen
bezüglich der Größe erkennen.
Diese Beobachtung kann durch die extrem kurze Mischzeit erklärt werden, die im SFIMM
erreicht wird. Durch das asymmetrische Flussprofil wird die THF-Lamelle zusätzlich
hydrodynamisch fokussiert und Mischzeiten deutlich unterhalb von Millisekunden erzielt
(vlg. Abschnitt 2.6.3). Die Selbstorganisation von Vesikeln braucht dagegen deutlich mehr
Zeit. Trotzdem kann von einer kontrollierten Selbstorganisation gesprochen werden, da zum
einen keine Fällung auftrat und zum anderen fast ausschließlich Mizellen entstanden. Die
Lösungsmittel-bedingungen wurden so schnell geändert, dass eine weitere Diffusion von
Molekülketten bzw. die Fusion von Mizellen nicht mehr möglich war.
4. Ergebnisse und Diskussion
68
Tab. 5: Analyse der Partikelsynthese im Superfocus-Mikromischer
Probe Fluss H2O
ml/min
Fluss THF
ml/min
DLS-Radius
nm μ2 TEM
Morphologie
SF1 15,6 0,78 14,8 0,13 s
SF2 15,6 0,52 18,3 0,2 s
SF3 12 0,6 17,7 0,22 s
SF4 12 0,3 21,9 0,22 s
SF5 8,4 0,42 17,6 0,17 s
SF6 8,4 0,2 18,8 0,18 s
SF7 4,8 0,24 21,0 0,16 s
SF8 4,8 0,12 22,0 0,17 s
Ausgangslösung: 20 g/L Polymer in THF
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie nach Vernetzung: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Da Geschwindigkeit der Selbstorganisation auch von der lokalen Konzentration abhängt
(Kap. 4.2), sollte eine Vesikelbildung bei höherer Konzentration erreicht werden. Tabelle 6
fasst die Ergebnisse für 40 g/L zusammen. Ähnlich wie bei 20 g/L Startkonzentration erzielt
man aber auch unter diesen Bedingungen keine Vesikelbildung. Sowohl DLS- als auch TEM-
Ergebnisse (Abbildung 4.7 rechts) zeigen, dass fast ausschließlich Mizellen hergestellt
wurden.
Tab. 6: Analyse der Partikelsynthese im Superfocus-Mikromischer
Probe Fluss H2O
ml/min
Fluss THF
ml/min
DLS-Radius
nm μ2 TEM
Morphologie
SF9 15,6 0,78 16,3 0,1 s
SF10 15,6 0,4 17,3 0,07 s
SF11 12 0,6 17,9 0,12 s
SF12 12 0,3 20,3 0,14 s
SF13 8,4 0,42 21,9 0,15 s
SF14 8,4 0,2 20,3 0,11 s
SF15 4,8 0,24 17,7 0,09 s
SF16 4,8 0,12 22,0 0,14 s
Ausgangslösung: 40 g/L Polymer in THF
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie nach Vernetzung: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
4. Ergebnisse und Diskussion
69
Der Grund hierfür liegt in den asymmetrischen Flussbedingungen. Diese sind nötig, damit
einerseits der THF-Gehalt kleiner als 25% ist und andererseits die finale
Polymerkonzentration nicht zu hoch liegt. Bei zu hoher Konzentration kommt es zur
Ausfällung.
Es verwundert daher nicht, dass auch bei noch höheren Anfangskonzentrationen keine
kontrollierte Vesikelbildung zu beobachten ist (80 und 100 g/L siehe Anhang). Die
Zeitspanne innerhalb der die Lösungsmitteleigenschaften Selbstorganisation von Vesikeln
ermöglichen, ist im SFIMM bei asymmetrischen Flussbedingungen offenbar viel zu kurz.
Bei höheren Konzentrationen des Polymers in THF entstehen zwar auch vereinzelt Vesikel,
bedingt durch die hohe Asymmetrie ist aber keine Kontrolle über die Selbstorganisation
möglich. Die theoretisch schnellere Bildungs-geschwindigkeit von Vesikeln wird dann durch
die schnelleren Mischzeit, bedingt durch die höhere hydrodynamische Fokussierung der
Flüsse, konterkariert.
Die Entstehung von Vesikeln trotz hoher Mischgeschwindigkeit ist vor allem darauf
zurückzuführen, dass die hohe Polymerkonzentration zu undefinierten Viskositätseffekten
bzw. Polymerabscheidungen führt. Dies ließ sich durch das Glasfenster im SFIMM ab einer
Konzentration von 40 g/L beobachten. Eine Kontrolle über die Selbstorganisation mittels
Mikromischer, wie sie in Kapitel 4.2 besprochen wurde, ist unter diesen Umständen nicht
möglich.
Abb. 4.7: TEM-Bilder der vernetzten Proben SF7 links (aus 20 g/L) und SF11 rechts (aus 40 g/L)
Scalebar entspricht 100 nm
4. Ergebnisse und Diskussion
70
Der SFIMM-Mischer bietet zwar ein sehr gutes laminares Mischprofil, andererseits ergeben
sich durch die großen Oberflächen und vielen Lamellen auch etliche Störfaktoren. Durch die
große Glasoberfläche und dessen unterschiedlich schnelle Benetzung durch THF und Wasser
ist keine gleichmäßige Durchmischung möglich und erhöht die Polydispersität der
entstandenen Partikel. Kleine Bläschen blockieren zusätzlich einige der
Mischkammereingänge und verursachen bereits Wirbelbildungen am Eingang der
Mischkammer. Darüberhinaus setzt sich bei höheren Konzentrationen Polymer auf der
Glasoberfläche ab.
Der SFIMM wurde daher nur genutzt, wenn sehr schnelle Mischvorgänge benötigt wurden.
Ansonsten wurde entweder auf den SIMM, der mit weniger starker hydrodynamischer
Fokussierung auskommt, oder den Raupenmischer zurückgegriffen.
4. Ergebnisse und Diskussion
71
4.3.1.1 Raupenmischer (CPMM)
Anders als der SFIMM kommt der Raupenmischer ohne hydrodynamische Fokussierung aus
(Ein- und Ausgänge haben die gleiche Dimension). Durch das Split-and-recombine Prinzip
sollen die zwei Fluidströme annähernd laminar gemischt werden. In der Praxis kann dieses
Verhalten nicht bestätigt werden, es kann eher von einem kontrolliert chaotischen
Mischvorgang gesprochen werden (vlg. Abs. 2.6.3).
Tabelle 7 zeigt die Mischungsergebnisse von 42 g/L PB130-PEO66-OH in THF mit Wasser bei
verschiedenen Flussgeschwindigkeiten und Flussverhältnissen. Auch hier ist keine
überwiegende Vesikelbildung zu beobachten. In diesem Mischer ist die Zeitspanne, in der das
System ausreichend Zeit für freie Selbstorganisation hat, ebenfalls zu kurz.
Tab. 7: Analyse der Partikelsynthese im CPMM aus PB130-PEO66-OH
Probe Fluss H2O
ml/min
Fluss THF
ml/min
DLS-Radius
nm μ2 TEM
Morphologie
CPA1 10 0,24 16 0,15 s,v
CPA2 2,1 0,05 20 0,19 s,v
CPA3 10 0,16 19 0,18 s,v
CPA4 10 0,12 19 0,2 s,v
CPA5 4,2 0,12 19 0,18 s,v
CPA6 7,35 0,05 22 0,2 s,v
CPA7 6,3 0,05 20 0,17 s,v
Ausgangslösung: 42 g/L Polymer in THF
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung;
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe;
Dominierende Morphologie ist unterstrichen
Interessanterweise konnte in einer vorrangehenden Arbeit von Mueller bei ähnlichen
Flussbedingungen für das PB130-PEO66-COOH-Polymer etwas andere Ergebnisse erzielt
werden (Tabelle 8). In den meisten Fällen entstehen allerdings, ähnlich wie bei dem Polymer
mit OH-Endgruppe, nur Mizellen. Trotzdem entstehen im Vergleich deutlich mehr Vesikel
mit PB130-PEO66-COOH. Die Erklärung dieses Verhaltens muss also in der Carboxyendruppe
gesucht werden. Die spezifische Wechselwirkung der COOH-Gruppe führt zu einer
Streckung der hydrophilen Polyethylenoxidkette. Dadurch verkleinert sich das hydrophile
Volumen. Dies führt zu einer größeren Tendenz zur Lamellenbildung.[18, 40]
4. Ergebnisse und Diskussion
72
Tab. 8: Analyse der Partikelsynthese im CPMM aus PB130-PEO66-COOH[112]
Ausgangslösung: 42 g/L Polymer in THF
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe, w=Würmer
Dominierende Morphologie ist unterstrichen
Die Ausbildung der Mizelle ist daher weniger favorisiert als im Falle des
PB130-PEO66-OH Polymers.
Trotzdem ist die Fähigkeit zur Lamellenbildung für das Polymer mit OH-Endgruppe ebenso
gegeben. Die Entstehung der PB130-PEO66-COOH-Vesikel unter diesen Umständen kann nur
teilweise erklärt werden. Der Selbstorganisation muss mehr Zeit zur Verfügung gestanden
haben. Andernfalls wäre die Bildung von Vesikeln und wurmartigen Mizellen nicht erklärbar.
Da im CP-Mikromischer vor allem zu Beginn des Mischprozesses noch ein laminares
Flussprofil vorliegt, ist hier das Mischen noch vergleichsweise langsam. Erst am hinteren
Ende der Mischkammer überwiegt das chaotische Mischprofil und beschleunigt die
Vermischung extrem. Es ist daher sehr entscheidend, wann die Selbstorganisation einsetzt um
die maximale Kontrolle mittels Mikromischer zu erreichen.
Für PB130-PEO66-OH scheint der Zeitraum zur freien Selbstorganisation kürzer zu sein,
während die Zeitspanne für die Selbstorganisation bei PB130-PEO66-COOH etwas länger
ausfällt. Im Falle des Polymers mit OH-Endgruppe scheint der Startpunkt der
Selbstorganisation, wie er in Kapitel 4.2 beschrieben wurde, erst bei höherem Wassergehalts
zu sein.
Probe Fluss H2O
ml/min
Fluss THF
ml/min
DLS-Radius
nm μ2 TEM
Morphologie
CPB1 10 0,24 35 0,13 s,c,v
CPB2 2,1 0,05 41 0,13 s,v
CPB3 10 0,16 51 0,13 s,v
CPB4 10 0,12 56 0,19 s,v
CPB5 10 0,1 65 0,17 s,v
CPB6 6,3 0,05 71 0,18 s,w,d,v
CPB7 7,35 0,05 92 0,16 s,w,v
4. Ergebnisse und Diskussion
73
Für die bessere Kontrolle der Selbstorganisation und die Synthese größerer Strukturen, muss
der Beginn der Selbstorganisation möglichst früh in der Mischkammer einsetzen. Andernfalls
startet die Selbstorganisation erst dann, wenn bereits turbulente Strömungen in den
Mischkammern auftreten und eine Kontrolle nicht mehr möglich ist.
Wie in Kapitel 4.2 beschrieben wurde, kann der Startpunkt der Selbstorganisation durch das
Vormischen einer gewissen Wassermenge verändert werden. Die Selbstorganisation setzt
dann deutlich früher in der Mischkammer ein. Es wurde darauf geachtet, dass sich bei diesem
Wassergehalt noch keine Strukturen ausgebildet haben. Diese Strukturen hätten sich durch
Trübung der Lösung bzw. in der dynamischen Lichtstreuung bemerkbar gemacht.
4. Ergebnisse und Diskussion
74
4.3.2 PB130-PEO66-OH Vesikel durch Vormischung im Mikromischer
Da die im Kap. 4.2.1 besprochenen Bedingungen – hohe Konzentration von Polymer in
reinem Lösungsmittel – keine kontrollierte Selbstorganisation zuließen, sollte dies mit
anderen Startbedingungen erreicht werden.
Dazu wurden die Flussratenverhältnisse von Polymer in THF und Wasser 1:1 gewählt, um
Turbulenzen und die Komprimierung der THF-Lamellen möglichst gering zu halt.[113]
Damit dies möglich ist, muss man sicherstellen, dass die Selbstorganisation nach dem
vollständigen Mischen beider Fluidströme auch abgeschlossen ist. Durch einfache Zugabe
von 50v% Wasser in die THF-Stammlösung wurde eine neue Startlösung erstellt. Bei dieser
Wasserkonzentration entstehen noch keine Vesikel bzw. generell keine festen
selbstorganisierten Strukturen, was von Kelly et al. mittels Cryo-TEM und SANS
herausgefunden wurde.[114] Diese Vormischung ermöglicht es, dass nach dem Mischen mit
dem Wasserstrom die finale THF-Konzentration unterhalb von 30v% liegt. Somit wird die
weitere Selbstorganisation verhindert.[115]
Neben der niedrigeren Asymmetrie ergibt sich noch ein weiterer entscheidender Vorteil der
Vormischung. Der Punkt, an dem die Selbstorganisation in der Kammer des jeweiligen
Mikromischers einsetzt, ist deutlich näher zum Eingang des Mischers vorgezogen. Am
Eingang aller Mischer herrschen optimale laminare Flussbedingungen. Hier beruht das
Mischen noch auf reiner Diffusion. Setzt die Selbstorganisation in diesem Bereich an, ist
bestmögliche Kontrolle gegeben.
Tabelle 9, 10 und 11 zeigen unter verschiedenen Mischbedingungen resultierende
Partikelgrößen aus den drei Mischern CPMM, SIMM und SFIMM.
Hier lassen sich auch die verkürzten Mischzeiten bei schnelleren Flussraten von allen drei
Mischserien erkennen (vgl. Kap. 2.6.3, 2.6.4). Je niedriger die Flussrate ist, desto höher ist
auch der entstehende Partikelradius.
Auch die resultierenden µ2 Werte sind sehr gering und lassen auf eine kontrollierte
Selbstorganisation schließen. Durch Vernetzung und anschließende Elektronenmikroskopie
konnte die Morphologie der Partikel bestimmt werden. Es zeigt sich, dass bei sehr hohen
Flussraten auch sphärische Mizellen entstehen.
4. Ergebnisse und Diskussion
75
Tab. 9: DLS-Ergebnisse PB130-PEO66-OH Partikelsynthese im SFIMM
Probe
Flussrate
ml/min
<R
h
>
nm
µ2
TEM
Morphologie
SFA1 9,6 25 <0,05 -
SFA2 3,6 28 <0,05 s, v
SFA3 1,2 34 <0,05 s, v
SFA4 0,6 39 0,08 s, v
SFA5 0,4 42 0,1 v
SFA6 0,2 49 <0,05 v
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 4 g/L Polymer in THF/H2O (50/50 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Tab. 10: DLS-Ergebnisse PB130-PEO66-OH Partikelsynthese im CPMM
Probe
Flussrate
ml/min
<R
h
>
nm
µ2
TEM
Morphologie
RP4 9,6 28 <0,05 s, v
RP7 3,6 33 0,07 v
RP10 1,2 39 <0,05 v
RP13 0,6 42 <0,05 v
RP15 0,2 47 0,09 v
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 4 g/L Polymer in THF/H2O (50/50 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Tab. 11: DLS-Ergebnisse PB130-PEO66-OH Partikelsynthese im SIMM
Probe
Flussrate
ml/min
<R
h
>
nm
µ2
TEM
Morphologie
SIA1 9,6 29 0,07 v
SIA2 3,6 32 <0,05 v
SIA3 1,2 36 <0,05 v
SIA4 0,6 38 0,09 v
SIA5 0,4 39 <0,1 v
SIA6 0,2 46 <0,1 v
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 4 g/L Polymer in THF/H2O (50/50 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Auch unter symmetrischen Bedingungen lässt sich das Polymer kinetisch in der Form der
Mizelle einfangen. Damit wird der Mechanismus der Vesikelbildung bestätigt, der das
Vorhandensein von Mizellen bei hohen Flussraten erklärt. Durch sehr schnelles Mischen
bleibt der Selbstorganisation nur so viel Zeit, dass sich Mizellen bilden können.
4. Ergebnisse und Diskussion
76
Der Mechanismus der Vesikelbildung aus Mizellen als erste gebildete Struktur kann also
durch den Einsatz von Mikromischern allgemein bestätigt werden.
In Bezug auf die Mischzeiten lassen sich Unterschiede zwischen den einzelnen
Mikromischern erkennen. Die Mischzeiten bei gleichen Flussraten steigen vom
Superfocusmischer über den Raupenmischer bis zum Schlitzinterdigitalmischer an. (siehe
Theorie 2.6).
Im Schlitzinterdigitalmischer entstehen erst bei drei mal so hoher Flussrate sphärische
Mizellen. Durch die vielfach höhere Kompression beim Superfocus-Mischer entstehen
Mizellen auch bei viel langsameren Flussbedingungen. Abbildung 4.8 zeigt die
Zusammenfassung aller Ergebnisse der Lichstreuungsdaten zu den Proben der drei Mischer.
Man kann sehr gut erkennen, dass die Selbstorganisation anhand der Flussgeschwindigkeiten
(siehe Kapitel 4.2, Abbildung 4.5) kontrolliert werden kann. Polymervesikel lassen sich mit
einheitlicher Größe kontrolliert und kontinuierlich herstellen. Diese Polymervesikel sind über
Monate stabil und zeigen keine Veränderung in der DLS.
20
25
30
35
40
45
50
55
0246810
<Rh>DLS / nm
Flussrate / ml/min
Abb. 4.8: Resultierende Partikelgrößen in Abhängigkeit zur Flussrate
CPMM (Quadrate); SFIMM (Kreise); SIMM (Dreiecke)
4. Ergebnisse und Diskussion
77
4.3.3 PB130-PEO66-COOH im Mikromischer
Da bereits die erfolgreiche kontinuierliche Synthese mit dem vesikelbildenden Polymer
PB130-PEO66-OH gezeigt werden konnte, wurde dies für das Polymer mit COOH-Endgruppe
wiederholt. Wie aus Tabelle 12 ersichtlich ist, verhält sich dieses Polymer unter gleichen
Mischbedingungen sehr ähnlich.
Tab. 12: DLS-Ergebnisse PB130-PEO66-COOH Partikelsynthese im CPMM
Probe Flussrate
ml/min
<Rh>
nm µ2 TEM
Morphologie
RPB1 4,8 34 <0,05 s,v
RPB2 1,8 40 <0,05 s,v
RPB3 0,6 48 <0,1 v
RPB4 0,4 55 <0,1 v
RPB5 0,2 66 <0,05 v
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2 g/L Polymer in THF/H2O (50/50 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Je höher die Flussrate ist umso kleiner ist der resultierende hydrodynamische Radius der
Partikel. Auch die µ2-Werte sind klein und sprechen für eine niedrige Polydispersität. Bei
hohen Flussraten entstehen neben Vesikeln auch noch sphärische Mizellen, da hier die
Mischzeit sehr kurz ist. Bei niedrigen Flussraten entstehen, wie schon beim Polymer mit OH-
Endgruppe, nur Vesikel.
Durch die Carboxyendgruppe bildet dieses Polymer größere Vesikel aus, da der hydrophobe
Teil sich scheinbar vergrößert und die Bildung einer Lamelle erleichtert wird (vgl. Kap. 2.1).
Die Untersuchungen wurden auf den Raupenmischer beschränkt, da keine ausreichende
Menge des Polymers für Untersuchungen in verschiedenen Mischern zur Verfügung stand.
Abbildung 4.9 zeigt eine Zusammenfassung der DLS-Ergebnisse des PB130-EO66-COOH
Polymers im CPMM. Im Vergleich zum Polymer mit OH-Endgruppe entstehen etwas größere
Partikel. Die Kurven sehen trotzdem sehr ähnlich aus und bestätigen die Kontrollierbarkeit
der Selbstorganisation in Mikromischern.
4. Ergebnisse und Diskussion
78
Abb. 4.9: Resultierende Partikelgrößen in Abhängigkeit der Flussrate
Flussbed.: Wasser/THF 1:1;
Ausgangslösung: 2 g/L Polymer in THF/H2O (50/50 v%/v%)
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0246810
<Rh>DLS / nm
Flussrate / ml/min
4. Ergebnisse und Diskussion
79
4.3.4 PB160-EO60-COOH im Mikromischer
Es wurde ein neues Polymer synthetisiert, um die Reproduzierbarkeit weiter zu überprüfen.
Das neue Polymer wurde ebenfalls über anionische Polymerisation hergestellt. Der
Syntheseweg unterscheidet sich leicht von dem des PB130-PEO66, da ein anderer Initiator
verwendet wurde (vgl. Theorie 2.4.1). Die GPC-Analyse ergab ein Molgewicht von insgesamt
11300 g/mol, davon fallen 8800g/mol auf Butadieneinheiten und 2500 g/mol auf
Ethylenoxidanteile. Es ergibt sich somit eine Polymerzusammensetzung von etwa 160
Butadien und 60 Ethylenoxid Einheiten. Da sich im Batch eine Vesikelbildung zeigte (vlg.
Abschnitt 4.1.2), sollte anschließend die Synthese im Mikromischer durchgeführt werden.
Dazu wurde zunächst ein ähnlicher Versuch zur Selbstorganisation im Mikromischer
durchgeführt, wie bereits für PB130-PEO66 beschrieben.
Tab. 13 zeigt die DLS-Ergebnisse der im Mikromischer synthetisierten Proben bei 2 g/L
Startkonzentration in der THF-Lösung. Um symmetrische Flussbedingungen nutzen zu
können, wurde ebenfalls Wasser in die THF-Phase vorgemischt. Ab 40v% Wassergehalt
zeigte sich eine leichte Trübung. Dies hat mit der größeren Polybutadienkette im
Zusammenspiel mit der kürzeren hydrophilen Polyethylenoxidkette zu tun. Die
Selbstorganisation ist bei diesem Wassergehalt zwar nicht eingefroren, aber die
Polymermoleküle bilden schon sichtbare Vorstrukturen aus. Daher wurde eine niedrigere
Wasserkonzentration gewählt.
Oberhalb von 65v% Wasser konnte keine Trübung mehr beobachtet werden. Die Löslichkeit
von reinem Polybutadien liegt bei ca. 73v% THF.[114] Die Proben wurden zunächst bei
73v% und 70v% THF-Gehalt in der THF- Polymerphase hergestellt, da keine ausreichenden
Erfahrungen vorlagen.
Tab. 13: DLS-Ergebnisse PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM
Probe Flussrate
ml/min
<Rh>
nm µ2 TEM
Morphologie
XB-73-1 3,6 29 0,08 V
XB-73-2 1,8 36 0,07 V
XB-73-3 0,6 48 0,06 V
XB-73-4 0,2 51 0,1 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
4. Ergebnisse und Diskussion
80
Tab. 14: DLS-Ergebnisse PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
XB-70-1 3,6 37 0,06 V
XB-70-2 1,8 43 0,09 V
XB-70-3 0,6 49 0,07 V
XB-70-4 0,2 54 0,1 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2 g/L Polymer in THF/H2O (70/30 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Sowohl Vormischungen mit 73v% als auch mit 70v% THF-Gehalt (Tab. 13 und 14) liefern
gute und reproduzierbare Vesikelsynthesen. Sie erlauben ein symmetrisches
Mischungsverhältnis. Die THF-Konzentration liegt nach dem Mischvorgang unterhalb von
34w% THF in Wasser und verlangsamt die Selbst-organisation, sodass keine weitere
Strukturänderung mehr beobachtet werden kann.
Ähnlich zum PB130-PEO66 bildet das PB160-PEO60 im Mikromischer Vesikel mit enger
Größenverteilung aus. Durch die kontrollierbare Mischgeschwindigkeit lassen sich
unterschiedliche Größen der geformten Vesikel erzielen. Abbildung 4.10 begründet noch
einmal, dass der Zeitpunkt, zu dem die Selbstorganisation in der Mischkammer einsetzt, einen
Einfluss auf die entstehenden Partikelradien hat. Dabei setzt die Selbstorganisation bei 3v%
geringerer THF-Konzentration in der Polymerlösung deutlich früher im laminaren Bereich der
Mischkammer ein und bildet daher größere Partikel aus. In Abbildung 4.6 wurde auf die
große Einflussmöglichkeit der Vormischungen eingegangen und kann hier bestätigt werden.
Bereits eine kleine Veränderung von 3v% in der Vormischung verändert den Radius sichtbar.
Daraus ergibt sich aber auch das Problem, dass schon kleine Fehlerschwankungen hier zu
veränderten Ergebnissen führen können. Allein durch das Verdampfen des leicht flüchtigen
THFs können diese Veränderungen eintreten und die Ergebnisse stark beeinflussen.
4. Ergebnisse und Diskussion
81
Abb. 4.10: Resultierende Partikelgrößen in Abhängigkeit zur Flussrate für die Vormischungen
73v%/27v% THF/Wasser in 2g/L Polymerlösung (Quadrate)
70v%/30v% THF/Wasser in 2g/L Polymerlösung (Dreiecke)
25
30
35
40
45
50
55
60
012345
<Rh>DLS / nm
Flussrate / ml/min
4. Ergebnisse und Diskussion
82
4.3.5 Konzentrationsabhängigkeit
4.3.5.1 PB130-PEO66-OH
Mit Hilfe der mikrokanalbasierten Technologie kann durch Änderung der Flussparameter
Einfluss auf die Größe der geformten Partikel genommen werden. Durch hohe Flussraten
ließen sich sphärische Mizellen bei PB130-PEO66 in Wasser herstellen. Die Synthese im
Mikromischer bietet folglich eine kinetische Kontrolle der Reaktion.
Der Mechanismus der Selbstorganisation bis hin zum Vesikel ist noch nicht vollständig
verstanden (wie in Abschnitt 2.3.3 beschrieben). Die zwei am häufigsten diskutierten Ansätze
setzen beide voraus, dass zunächst Mizellen während der Selbstorganisation gebildet werden.
Dies kann aus den Mischergebnissen im Mikromischer ebenfalls gefolgert werden, denn
sowohl bei asymmetrischen Flüssen, als auch bei sehr schnellen symmetrischen Flussraten
entstehen Mizellen im Mikromischer[113].
Bei Mechanismus 2 der Vesikelbildung entstehen aus den vorhandenen Polymermizellen
größere instabile Mizellen, die durch interne „Reorganisation“ zu Vesikeln werden.
Anisotrope Zwischenzustände werden dabei übersprungen. Eine Konsequenz dieses
Mechanismus ist, dass eine hohe innere hydrophile Beladung kaum umsetzbar ist. He und
Schmid konnten eine spinodale Entmischung simulieren, welche dem Mechanismus 2
ähnelt.[30]
Mechanismus 1, der von anderen Computersimulationen bevorzugt wird, sagt voraus, dass die
Mizellen langsam zu anisotropen Stäbchen oder Scheiben wachsen und anschließend bei
ausreichender Größe eine Hohlkugel bilden.
Damit dies möglich ist, muss die Scheibe eine bestimmte Größe haben, damit eine komplette
Biegung zur Schließung zum Polymersom erfolgen kann.
Aber selbst wenn es diese scheibenförmige Übergangsformen gibt, sind sie durch ihre
Anisotropie instabil und bilden sehr schnell durch Zusammenschluss Vesikel aus. Generell ist
die Vesikelbildung sehr schnell und konnte für Lipide simuliert werden. Deren Bildung liegt
im Nano- bis Mikrosekundenbereich. Blockcopolymere sind deutlich größer und brauchen
mehr Zeit für ihre Bildung durch die sehr viel langsamere Diffusion (Millisekunden-
Bereich).[28]
Auch die Mischzeiten in einem Mikromischer liegen im Millisekundenbereich und erlauben
theoretisch kinetische Einfrierung von Übergangszuständen zwischen Mizelle und Vesikel.
Durch Verringerung der Ausgangskonzentration in der THF-Phase könnte man die Zeit
deutlich erhöhen, die für die Selbstorganisation des Polymers nötig ist um Vesikel zu bilden.
4. Ergebnisse und Diskussion
83
Die Konzentration des Polymers wurde daher auf 2 g/L halbiert und erneut im Superfocus
gemischt. Dadurch wird der Abstand zwischen den einzelnen gelösten Polymerketten im
statistischen Mittel vergrößert.
Tab. 15: DLS-Ergebnisse PB130-PEO66-OH Partikelsynthese im SFIMM
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
RT133 1,2 22,9 0,02 s
RT136 0,6 24,6 0,07 s
RT137 0,4 25,0 0,07 s,d,v
RT138 0,2 27,7 0,04 s,d,v
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2 g/L Polymer in THF/H2O (50/50 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Tabelle 15 zeigt die Abhängigkeit von Gesamtflussgeschwindigkeit, der Partikelgröße und
der korrespondierenden Morphologie, die mit der Elektronenmikroskopie ermittelt wurde. Bei
hohen Mischgeschwindigkeiten erzielt man sehr kleine Partikel, die nur aus Mizellen
bestehen. Senkt man die Geschwindigkeit der Flüsse ab, bleibt mehr Zeit zur
Selbstorganisation bis keine Größenänderung mehr stattfindet.
Abb. 4.11: Elektronenmikroskopieaufnahme der vernetzten Proben RT137(links) und RT138(rechts)
Scalebar = 100 nm
Abbildung 4.11 zeigt die getrockneten Proben RT137 und RT138. Es fällt auf, dass neben
Mizellen und Vesikeln, auch größere sphärische Partikel entstanden sind, die trotz ihrer Größe
von bis zu 60 nm keine Ringstruktur aufzeigen. Es könnte sich dabei entweder um sehr große
sphärische Mizellen oder scheibenartige Nanopartikel handeln.
4. Ergebnisse und Diskussion
84
Da beim Trocken-TEM alle Partikel flach aufliegen, kann hier keine direkter Rückschluss auf
deren anisotrope Form gezogen werden. Im Cryo-TEM liegen alle Partikel ungeordnet im
Wasser vor. Die Form der Nanopartikel kann durch eine Verkippungsserie beobachtet
werden, da keine Trocknungsartefakte vorhanden sind.
In Abb. 4.12 kann man eine Cryo-TEM Aufnahme der Probe RT138 sehen. Neben Vesikeln
und Mizellen sind dort ebenfalls stäbchenförmige Partikel zu sehen, die im trockenen TEM
nicht zu erkennen waren. Es konnte durch einfaches Kippen des Probenhalters gezeigt
werden, dass es sich hier tatsächlich nicht um Stäbchen handelt. Auf diese Weise war eine
Morphologieverwandlung zu beobachten. Die scheinbar stäbchenförmigen Partikel gaben sich
nun als anisotrope Scheiben zu erkennen. Da nur ein Winkel von 15° einstellbar war,
verändert sich die Partikelansicht nicht vollständig. Zusätzlich ist es nur möglich entlang einer
Achse zu kippen. Daher können nicht alle stäbchenförmige Partikel als Scheiben erkannt
werden. Nur bei den Partikeln, welche senkrecht zur Kippachse liegen, kann eine
Morphologieveränderung beobachtet werden.
TEM-Aufnahmen der vernetzten Proben zeigen, dass Scheiben in diesen Proben nicht
vereinzelt vorliegen, sondern etwa in ähnlich großer Anzahl wie die Vesikel. Da diese
Scheiben nicht bei Proben beobachtet werden können, die aus höheren Stammlösungen
hergestellt wurden, scheint es, als seien diese Scheiben Zwischenprodukte, die aufgrund
niedriger lokaler Konzentration nicht schnell genug wachsen konnten. Das Vorhandensein
dieser Partikel muss durch den Mechanismus der Vesikelbildung erklärt werden. Dieser geht
Abb. 4.12: Cryo-TEM-Aufnahme der unvernetzten Probe RT138 in Wasser (links)
Morphologieveränderung (Rote Pfeile) durch Kippen des Halter um 15° (rechts)
Scalebar = 200nm
4. Ergebnisse und Diskussion
85
davon aus, dass sich während der Selbstorganisation zunächst Mizellen bilden. Durch weitere
Aufnahme von Polymerketten oder Kollision mit anderen Mizellen wachsen sie zu Scheiben
heran. Schließlich stülpt sich die flexible Scheibe um und bildet das Vesikel. Dieser Vorgang
ist irreversibel. Bedingt durch die thermodynamisch ungünstigen Ränder der Scheibe schließt
sich diese, wenn sie eine bestimmte Größe erreicht hat, unwiderruflich zusammen. Es bilden
sich thermodynamisch sehr stabile sphärische doppelte Doppelschichten aus. In diesem Fall
konnten sich diese Scheiben trotz ihrer energetisch ungünstigen Ränder nicht zu stabileren
sphärischen Vesikeln zusammenschließen, denn die nötige Anzahl an Polymerketten für ein
vollständiges stabiles Vesikel war noch nicht erreicht.
Um die kritischen Größe einer Scheibe beschreiben zu können muss zunächst der
Übergangszustand beschrieben werden. Hierbei schließt sich eine Scheibe zu einem Vesikel
zusammen. Das Polymervolumen sollte dabei gleich bleiben und sich nur umorientieren.
Gleichung 4.1 und 4.2 beschreiben die Polymervolumina eines Vesikels VV bzw. einer
Scheibe VD. Dabei besteht die Wanddicke d der Doppelschicht aus hydrophobem und
hydrophilem Anteil und wurde als 18 nm angenommen. Diese Wanddicke ergibt sich aus den
kleinsten Vesikeln, welche im getrockneten Zustand nach Vernetzung im TEM zu erkennen
waren, und hatten einen Durchmesser von 36 nm. Ausgehend von diesen Gleichungen bei
Berücksichtigung der Massenerhaltung kann aus einem Vesikeldurchmesser DV dessen
theoretischen Scheibendurchmesser DD (Gleichung 4.3) bzw. aus einem Scheibendurchmesser
dessen Vesikeldurchmesser (Gleichung 4.4) berechnet werden.
𝑉𝐷=1
4𝜋𝐷𝐷2𝑑 (4.1) 𝑉𝑉=1
6𝜋𝐷𝑉3−1
6𝜋(𝐷𝑉−2𝑑)3 (4.2)
𝐷𝐷= 2�𝐷𝑉2−2𝐷𝑉𝑑+4
3𝑑2 (4.3) 𝐷𝑉=𝑑+�𝐷𝐷2
4−𝑑2
3 (4.4)
Tabelle 16 zeigt einige Scheiben- und Vesikel-Durchmesser und deren korrespondierende
Struktur, welche aus Gleichung 4.3 und 4.4 berechnet wurden.
4. Ergebnisse und Diskussion
86
Tab. 16: Korrespondierender Durchmesser Vesikel
Scheibe
DV DD
DV / nm DD / nm
36,0 41,6
38,0 45,1
40,0 48,7
42,0 52,3
44,0 56,0
46,0 59,7
48,0 63,5
50,0 67,3
52,0 71,1
54,0 74,9
56,0 78,8
58,0 82,7
60,0 86,5
62,0 90,4
Berechneter Durchmesser Scheibe Vesikel anhand der Formeln 4.3 und 4.4
mit d=18nm
Die Mikromischertechnologie ermöglichte das kinetische Einfangen einer großen Anzahl an
Scheiben. Anhand einer numerischen Auswertung der TEM-Bilder der vernetzten Proben
RT136-137 konnten die mittleren Durchmesser der Scheiben bzw. Vesikel bestimmt werden.
Dabei sind die wichtigsten Größen die minimale Vesikelgröße bzw. die maximale
Scheibengröße, denn diese Größen zeigen den Übergang von Scheibe zu Vesikel an.
Abbildung 4.13a) zeigt eine Statistik von 950 Scheiben ab einer Größe von 35 nm, welche im
TEM als Struktur ohne Doppelschicht erkennbar waren. Die mit 25% am häufigsten
vorkommende Scheibengröße hat einen Durchmesser von 55-65 nm. Scheiben mit einer
Größe von 75-80 kommen nur noch in geringer Zahl vor, während Scheiben von über 80 nm
nicht mehr beobachtet werden können. Abbildung 4.13b) zeigt die Statistik der
Vesikeldurchmesser an. Diese Statistik wurde aus den gleichen TEM-Bildern erstellt, wie
schon Abb. 4.13a). Vesikel mit D < 45 nm kommen sehr selten vor. Die etwas größeren
Vesikel kommen hingegen deutlich häufiger vor und haben ihr Maximum bei 50-55 nm. Um
einen möglichen Übergangszustand zu bestimmen, muss der Vesikeldurchmesser in einen
Scheibendurchmesser umgerechnet werden. Abb. 4.13c) zeigt die gemeinsame Statistik von
Scheibendurchmessern (Rot) und Vesikeldurchmessern (Blau). Dabei wurden die
4. Ergebnisse und Diskussion
87
Vesikeldurchmesser mittels Gleichung 4.3 umgerechnet. Beim jeweiligen Maximum der
einzelnen Statistiken liegen nur wenige Partikel der korrespondierenden Struktur vor und
bestätigen die Möglichkeit der Bildung von Vesikeln aus scheibenartigen Mizellen. Die
kritische Übergangsgröße scheint somit für PB130-PEO66 bei etwa 65 nm zu sein, denn bei
dieser nimmt die Anzahl von Scheiben deutlich ab während die Anzahl der Vesikel steigt.
Abb. 4.13: Numerische Auswertung der TEM-Aufnahmen der Proben RT136-137
a) Statistik der Scheibendurchmesser anhand von 950 Partikeln
b) Statistik der Vesikeldurchmesser anhand von 400 Vesikeln
c) Gemeinsame Statistik der Scheiben-Durchmesser von Vesikeln und Scheiben
(Vesikel-Durchmesser umgerechnet in theoretischen Scheibendurchmesser mit d = 18 nm)
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
Häufigkeit / %
Vesikel-Durchmesser / nm
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
Häufigkeit / %
Scheiben-Durchmesser / nm
a)
b)
0
5
10
15
20
25
30
Häufigkeit / %
Scheiben-Durchmesser / nm
c)
4. Ergebnisse und Diskussion
88
4.3.5.2 PB160-PEO60-COOH
In Abschnitt 4.3.1 konnte bereits gezeigt werden, dass die Selbstorganisation von PB130-EO66
im Mikromischer konzentrationsabhängig ist. Auch das Polymer mit der Zusammensetzung
PB160-EO60 zeigt eine solche Konzentrations-abhängigkeit.
Tabelle 16-20 stellt die durch DLS ermittelten Partikelgrößen und ihre korrespondierende
Morphologie dar. Abhängig von der gewählten Startkonzentration können aufgrund der
unterschiedlichen Mischzeiten Partikel von 20-80 nm im Radius erstellt werden.
Tab. 17: DLS-Ergebnisse PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
XB-292-1 3,6 46 0,07 V
XB-292-2 1,8 51 0,09 V
XB-292-3 0,6 79 [0,14] V
XB-292-4 0,4 79 0,11 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2,92 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Bei Verringerung der Startkonzentration werden die Partikel kleiner, da weniger Polymer
vorhanden ist, um Vesikel zu bilden. Dies lässt sich auch sehr gut mit Simulationen der
Selbstorganisation von amphiphilen Systemen in Übereinstimmung bringen, deren
Partikelwachstum sehr stark von der Konzentration abhängt (vgl. Abb. 2.6 im Kap. 2.2.2).
Tab. 18: DLS-Ergebnisse PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
XB-S072-4 3,6 18 0,1 s
XB-S072-1 1,8 22 0,08 s
XB-S072-2 0,6 23 0,08 s
XB-S072-3 0,4 25 0,04 s
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 0,72 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Bei einer sehr geringen Startkonzentration von 0,72 g/L Polymer im THF/H2O-Gemisch
erhält man ausschließlich Mizellen. Die Abstände zwischen den einzelnen Molekülketten sind
deutlich größer, was zu längeren Diffusionszeiten führt.
4. Ergebnisse und Diskussion
89
Da nur eine begrenzte Zeit zur Verfügung steht, entstehen folgerichtig nur kleine Partikel. Die
niedrige Konzentration an Blockcopolymer verschiebt zusätzlich die cac (critical association
concentration) zu einem Lösungsmittel-gemisch mit höherer Wasserkonzentration. Dieses
wird erst weiter Richtung Mischerausgang erreicht. Die Selbstorganisation setzt zum Teil erst
in den turbulenten Strömungen ein und wird sehr früh gestoppt. Der Übergang von Mizelle zu
Vesikel wird durch diese Mischbedingungen nicht erreicht.
Tab. 19: DLS-Ergebnisse PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
XB-S.1-1 3,6 28 0,09 s,v
XB-S.1-2 1,8 33 0,07 s,v
XB-S.1-3 0,6 38 0,1 s,v
XB-S.1-4 0,4 43 0,1 v
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 1 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Erhöht man die Startkonzentration auf 1 g/L, ist der Abstand zwischen den Polymerketten
geringer. Wie in Tab. 19 zu sehen ist, werden dabei auch deutlich größere Partikel erzielt. Bei
sehr langsamer Flussgeschwindigkeit von insgesamt 0,4 ml/min werden vorwiegend Vesikel
gebildet.
Tab. 20: DLS-Ergebnisse PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ
2
TEM
Morphologie
XB-S146-1 3,6 31 0,05 s,d,v
XB-S146-2 1,8 36 0,08 v
XB-S146-3 0,6 45 0,09 v
XB-S146-4 0,4 53 0,1 v
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 1,46 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Auch die weitere leichte Erhöhung der Konzentration auf 1,46 g/L führt zu größeren
Partikelradien, was zu erwarten war.
Denn sind die Polymerketten vollständig gelöst und zeigen keine Wechsel-wirkungen
miteinander, kann angenommen werden, dass sie in einer Art kubisch-dichtest Packung
vorliegen. Jede Polymerkette hat dann den gleichen Abstand zu seinem nächsten Nachbarn.
Halbiert man nun die Konzentration, nimmt auch die Polymerkettenanzahl um die Hälfte ab.
4. Ergebnisse und Diskussion
90
Da das Volumen gleich bleibt, vergrößert sich der Abstand der Ketten zur nächsten
Nachbarkette um den Faktor √2
3.
Vergleicht man Tabelle 17 und 20, bei der die Konzentration um die Hälfte abnimmt, kann
der Faktor von √2
3 in der Radiusveränderung wieder gefunden werden. Hierbei muss
berücksichtigt werden, dass der Radius nicht linear mit der Partikelzahl ansteigt. Die
Veränderung des Radius mit diesem Faktor kann daher nur als qualitativer Richtwert gesehen
werden. Trotzdem zeigt er eine relativ gute Übereinstimmung bei der Halbierung der
Konzentration.
Die Abb. 4.14 fasst diese Ergebnisse zusammen und demonstriert die Einflussmöglichkeiten
auf die Selbstorganisation mittels Mikromischer sehr anschaulich. Je niedriger die
Konzentration ist, desto kleiner sind die Partikel. Auch die Flussabhängigkeit bzw. die daraus
folgende Mischzeitveränderung, wie sie schon in Kap. 4.2 beschrieben wurde, wird
eindrucksvoll belegt.
Zusätzlich lassen sich vorwiegend bei Partikeln mit DLS-Radien ~30 nm anisotrope Partikel
im Elektronenmikroskop finden. Abbildung 4.15 ist eine TEM-Aufnahme der vernetzten
Probe XB-S146-1. Auch hier zeigen sich einige große sphärische Partikel ohne ausgeprägte
Doppelschicht.
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00
<Rh>z / nm
Flow rate 1:1 / ml/min
C=0,72 g/L
C=1 g/L
C=1,46 g/L
C=2,92 g/L
Abb. 4.14: Zusammenfassung der Mischergebnisse im CPMM bei unterschiedlichen Konzentrationen in 73/27 v%/v%
THF/Wasser
4. Ergebnisse und Diskussion
91
Dies bestätigt die Annahme, dass die Vesikel aus dem Zusammenschluss einer Scheibe
geformt werden, denn sie lassen sich fast ausschließlich bei etwa DLS-Radien <35 nm finden.
Über 35 nm sind bereits alle Scheiben so weit angewachsen, dass sie sich zu Vesikeln
zusammengeschlossen haben.
Die Anzahl der Scheiben ist geringer als beim Polymer PB130-EO66. Eine Synthese von
ausschließlich Scheiben des PB160-PEO60 war nicht möglich. Durch den noch größeren PB-
Anteil erfolgte das Anwachsen der Lamelle im Vergleich zum PB130-PEO66 noch schneller
und es enstanden schneller Vesikel. Aufgrund der geringen Anzahl an Scheiben im Vergleich
zum PB130-PEO66 konnte für das Polymer PB160-PEO60 keine aussagekräftige Statistik wie in
Abb. 4.13 erstellt werden.
Abb. 4.15: Elektronenmikroskopieaufnahme der vernetzten
Proben XB-S146-1
Scalebar = 100nm
4. Ergebnisse und Diskussion
92
4.3.6 Temperaturabhängigkeit
Der Einfluss der Konzentration der Polymerlösung auf die Selbstorganisation konnte bereits
nachgewiesen werden. Durch die Mikromischertechnologie lassen sich auch Reaktionen bei
unterschiedlichen, kontrollierten Temperaturen leicht realisieren. Bedingt durch die gute
Wärmeleitfähigkeit des Edelstahlmischers, kann die kontrollierte Selbstorganisation auch bei
verschiedenen Temperaturen im thermostatisierten Bad durchgeführt werden.
Da die Temperatur sowohl die Diffusionsgeschwindigkeit (Brown’sche Bewegung schneller
durch steigende thermische Energie) als auch die Viskosität des Lösungsmittels beeinflusst,
ist eine veränderte Selbstorganisation folgerichtig.
Die Tabellen 21-23 zeigen jeweils bei gleicher Konzentration von 2,92 g/L in der 73/27
v%/v% THF/Wasser Vormischung und gleichen Flussbedingungen die Analysen mittels DLS
und TEM. Die höchste Konzentration wurde gewählt, da die höchste Flussrate ausschließlich
Vesikel als dominierende Morphologie lieferte. Die Temperaturen wurden zwischen 10 °C
(Tab. 22), 25 °C (Tab. 21) und 40 °C (Tab. 23) variiert.
Eine niedrige Temperatur von 10 °C verringert die Diffusionsgeschwindigkeit der einzelnen
Moleküle bzw. deren selbstorganisierenden Strukturen im Vergleich zu 25°C. Außerdem
erhöht sich die Viskosität des Wassers von 0,65 mPa*s bei 40 °C über 0,9 mPa*s bei 25 °C
auf 1,3 mPa*s bei 10 °C.[116] Ähnlich wie bei der Verringerung der Konzentration um die
Hälfte (Tabelle 20) kann ein Faktor bestimmt werden, der die Abnahme qualitativ
widerspiegelt. Im Vergleich zur Strecke die bei Verringerung der Konzentration verlängert
wird, wird jetzt die Geschwindigkeit der Ketten verändert. Die Mobilität einer Polymerkette
kann über seinen Diffusionskoeffizienten ausgedrückt werden. Dieser kann mit Hilfe der
Stokes-Einstein-Gleichung D = kT
6πη0Rh für ein gegebenes Block-Copolymer mit dem Radius
Rh bestimmt werden. Daraus ergeben sich dann die Faktoren D25°C D10°C = 1,5
⁄ bzw.
D40°C D25°C = 1,4
⁄ unter Vernachlässigung des temperatur-abhängigen Löseverhaltens von
PEO.
Die entstehenden Partikelradien folgen diesen Faktoren und werden bei allen Flussraten
kleiner. Allerdings ist der Unterschied, vor allem bei sehr schnellen Flussraten, sehr klein. Ein
möglicher Grund hierfür könnte die freigesetzte Mischungsenthalpie von Wasser und THF
sein. Diese ist bei niedriger Temperatur am größten und nimmt mit steigender Temperatur ab
(10°C 25 °C 40 °C).[117] Daher kann es bei hohen Flussraten und niedriger Temperatur
des Bades zu einem Temperaturungleichgewicht innerhalb des Mischers kommen, da sich die
Lösung sehr schnell erwärmt und nicht ausreichend vom Mischer gekühlt werden kann.
4. Ergebnisse und Diskussion
93
Bei niedrigeren Flussraten ist der Unterschied der DLS-Radien zwischen 10 °C und 25 °C
größer. Die Mischungswärme wird nicht ganz so schnell frei und kann besser durch das Bad
ausgeglichen werden.
Tab. 21: Analyse der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM bei 25 °C
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
XB-292-1 3,6 46 0,07 V
XB-292-2 1,8 51 0,09 V
XB-292-4 0,4 79 0,11 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2,92 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Tab. 22: Analyse der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM bei 10 °C
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
XB-292-5 3,6 45 0,09 V
XB-292-6 1,8 48 0,09 V
XB-292-7 0,6 64 0,09 V
XB-292-8 0,4 68 0,06 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2,92 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Bei höherer Temperatur von 40°C spielt die Mischungsenthalpie kaum noch eine Rolle und
die DLS-Radien zeigen einen signifikanten Anstieg bei allen Flussgeschwindigkeiten.
Allerdings vergrößern sich die µ2-Werte ebenfalls, was sich durch Fusionieren von großen
Vesikeln bei dieser Temperatur erklären lässt.
Tab. 23: Analyse der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM bei 40 °C
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
XB-292-9 3,6 69 0,09 V
XB-292-10 1,8 85 0,1 V
XB-292-11 0,6 97 0,12 V
XB-292-12 0,4 107 0,14 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2,92 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
4. Ergebnisse und Diskussion
94
Die großen Radien bei hoher Flussgeschwindigkeit lassen sich nur teilweise durch die
schnellere Diffusionsgeschwindigkeit erklären.
Ein weiterer Faktor liegt in der temperaturabhängigen Löslichkeit von PB-PEO im
THF/Wasser Gemisch, der „cat“ (critical association temperature).
Die kritische Assoziationstemperatur gibt an, ab welcher Temperatur bei gegebener
Konzentration die Bildung von Strukturen einsetzt. Hierbei entsteht durch Freisetzung des
gebundenen Lösungsmittels mehr Energie, als durch die Lösungsenthalpie verloren geht. In
wässriger Umgebung ist dieses Verhalten für das System PB-PEO vernachlässigbar, da PB in
Wasser quasi unlöslich ist. Für die im Kanal auftretenden THF/Wasser-Gemische wird die
„cat“ jedoch eine Rolle spielen. Die Selbstorganisation beginnt im Kanal durch die höhere
Temperatur früher. Da am Anfang des Kanals noch durch langsame Diffusion und nicht durch
Turbulenzen gemischt wird, erklärt es auch die bei erhöhter Temperatur deutlich größeren
Partikelradien.
Die Zusammenfassung der Temperatureinflüsse ist in Abb. 4.16 zu sehen. Sie unterstreicht
zum einen noch einmal die Kontrollierbarkeit der Partikelradien mit der Flussgeschwindigkeit
wie sie in Kapitel 4.2 bereits anschaulich beschrieben wurde. Zum anderen zeigt sich auch die
starke Temperaturabhängigkeit der Selbstorganisation von PB-PEO in Mikromischern.
Abb. 4.16: Zusammenfassung der Mischergebnisse im CPMM bei unterschiedlichen Temperaturen
Startkonzentration von 2,92 g/L XB in 73/27 v%/v% THF/Wasser
25,0
35,0
45,0
55,0
65,0
75,0
85,0
95,0
105,0
115,0
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00
<Rh>z / nm
Flow rate 1:1 / ml/min
C= 2,92 g/L 10 °C
C= 2,92 g/L 25 °C
C= 2,92 g/L 40 °C
4. Ergebnisse und Diskussion
95
4.3.7 Kontinuierliche hydrophobe Beladung von PB-PEO
4.3.7.1 Quantum Dots
Die erfolgreiche hydrophile und hydrophobe Beladung im Batchversuch konnte in der Arbeit
von Mueller [2009] gezeigt werden. Als hydrophile Beladung des Kerns diente PhloxinB,
dessen Fluoreszenz durch pH-Änderungen im Sauren gequencht werden kann. Es konnte dort
gezeigt werden, dass die hydrophobe Schale sogar Protonen erfolgreich vom inneren Kern
abhalten konnte. Die Beladung erfolgte sowohl im Batchverfahren als auch in der
Filmrehydration.
Als hydrophobe Beladung konnte sowohl Nilrot als auch Quantum Dots in die Schale
eingelagert werden. Die hydrophobe Beladung mit Quantum Dots war nur über die
Filmrehydration zugänglich. Während des Batchverfahrens fielen die Quantum Dots aus, da
an der Eintropfstelle immer ein sehr großer Wasseranteil in der Lösung entsteht. Die relativ
langsame Zugabe war nötig, da ansonsten keine gleichmäßige Wasserverteilung während der
Selbstorganisation gewährleistet werden konnte. Da die Selbstorganisation noch nicht
eingesetzt hatte, die Quantum Dots aber bereits ihre Löslichkeit im Wasser/THF Gemisch
verloren hatten, konnten keine Quantum Dots über die Batchmethode in die Vesikelschale
direkt eingelagert werden.
Da mit der Mikromischertechnologie eine ebenso schnelle wie gleichmäßige Mischung
möglich ist, wird die Einlagerung der Quantum Dots in die Schale untersucht.
Tab. 24: Analyse der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese mit QD-Beladung
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
GPXB10QD 4,8 34 0,06 V
GPXB5QD 3,6 35 0,06 V
GPXB6QD 1,8 45 0,08 V
GPXB7QD 0,6 52 0,09 V
GPXB9QD 0,4 50 0,09 V
GPXB8QD 0,2 61 0,07 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2,92 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
0,5w% QD-Beladung (bezogen auf das Polymer); Morphologie: V=Vesikel
Trotz der Beladung mit in Wasser unlöslichen Quantum Dots, haben die Proben eine niedrige
Polydispersität (Tab. 24). Ähnlich wie schon bei den unbeladenen Vesikeln reicht die Größe
von 34 nm (schnelle Flussgeschwindigkeit) zu 61 nm (langsame Flussgeschwindigkeit).
4. Ergebnisse und Diskussion
96
Abbildung 4.17 zeigt ein TEM-Bild der Probe GPXB7QD mit QuantumDots in der Schale
(Weiße Pfeile) mit sehr einheitlicher Größenverteilung.
Mit Erhöhung der QuantumDot-Konzentration bezogen auf die Polymer-konzentration war es
gleichzeitig möglich eine Erhöhung der Beladung zu erzielen. Dies allerdings führte zu einer
sehr großen Polydispersität. Schon bei hohen Flussraten zeigten sich große DLS-Radien mit
hohem µ2-Wert (Tabelle 25).
Es ist auch kein einheitlicher Trend mehr zu sehen, dass die Vesikel mit langsamerer
Flussgeschwindigkeit größere Partikel ausbilden.
Tab. 25: Analyse der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese mit QD-Beladung
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
GPXB11 3,6 68 0,12 V
GPXB12 1,8 85 0,13 V
GPXB16 0,4 73 0,1 V
GPXB14 0,2 77 0,13 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2,92 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
4w% QD-Beladung (bezogen auf das Polymer); Morphologie: V=Vesikel
Abb. 4.17: TEM-Aufnahme der vernetzten Probe GPXB7QD
mit eingelagerten QDs(weiße Pfeile)
Scalebar = 100nm
4. Ergebnisse und Diskussion
97
Da sich trotz hoher QuantumDot-Konzentration keine Fällung zeigte, scheint die
Selbstorganisation und der Einbau der Partikel nicht behindert gewesen zu sein. Die TEM-
Aufnahme der Probe GPXB-16 (Abb. 4.18) zeigt verschiedene Partikel mit hoher Beladung
an QuantumDots. Man kann sehen, dass das Polymer keine einheitliche Doppelschicht mehr
ausbilden kann, da die hydrophobe Schale instabil wurde. Mehrere Vesikel fusionieren zum
Teil zusammen und bilden Multivesikel aus. Es gibt also eine obere Grenze der
Beladungskonzentration, bei der Vesikel aus PB-PEO ihre Stabilität verlieren.
Nimmt man für die Kern-Schale-Schale Quantum Dots ein molares Gewicht von etwa 100
kg/mol an, kann die Beladungsdichte pro Vesikel abgeschätzt werden. Für eine
Aggregationszahl von Z = 20000[89] für Vesikel ergeben sich bei 4w% Beladung 88 Quantum
Dots pro Vesikel und für 0,5w% 11 Quantum Dots pro Vesikel. Dies erklärt auch die
Destabilisierung der Membran mit der hohen Anzahl an Quantum Dots pro Vesikel bei 4w%
Beladung. Während in den Polymervesikeln bei 0,5w% Beladung auch zahlreiche Vesikel
ohne Quantum Dots zu finden sind, gibt es bei 4w% Beladung nur noch sehr wenige Vesikel,
welche in den TEM-Bildern keine Quantum Dots aufweisen.
Abb. 4.18: TEM-Aufnahme der vernetzen Probe GPXB16,
eingelagerte QD verursachen Destabilisierung der Schale
4. Ergebnisse und Diskussion
98
4.3.7.2 Superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel
Neben QuantumDots als fluoreszente hydrophobe Partikel können auch
superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel in die Schale eingelagert werden. Magnetische
Vesikel bieten viele potentielle Anwendungensmöglichkeiten, wie zum Beispiel als MRT
Kontrastmittel, zur Hyperthermie oder als multifunktioneller Wirkstoffträger.
Die Mischbedingungen mussten für die Beladung mit Eisenoxidnanopartikeln allerdings
angepasst werden, da diese bei 70/30 THF/Wasser-Gemischen innerhalb weniger Sekunden
ausgefallen sind. Bei einer 80/20 Vormischung konnte keine direkte Fällung mehr beobachtet
und die symmetrischen Mischbedingungen beibehalten werden. Auch Konzentrationen
oberhalb von 4% Eisenoxidnanopartikel bezogen auf das Polymer waren nicht erfolgreich.
Hierbei trat eine Fällung nach dem Mischen auf. Tabelle 26 zeigt die Vesikelgrößen
resultierend aus der DLS.
Tab. 26: Analyse der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese mit Fe-NP-Beladung
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
XB8020-1 3,6 35 0,08 V
XB8020-2 1,8 36 0,1 V
XB8020-3 0,4 38 0,08 V
XB8020-4 0,2 52 0,12 V
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 2 g/L Polymer in THF/H2O (80/20 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
4w% Fe-NP-Beladung (bezogen auf Polymer); Morphologie: V=Vesikel
Die Beladung mit 4w% Eisenoxid bezogen auf das Polymer scheint der Vesikelbildung nicht
abträglich zu sein. Es bilden sich in ihrer Größe einheitliche Vesikel aus. Nach dem
Mischvorgang ist auch keine Fällung von Eisenoxid zu erkennen. Trotzdem ist die
Beladungsdichte im TEM relativ niedrig und es lassen sich nur wenige Partikel finden, bei
denen Eisenoxid in die Schale eingelagert ist. Abb. 4.19 zeigt ein Vesikel mit Eisenoxid in der
Schale (Weiße Pfeile). Der Grund für die niedrige Einbauquote könnte sein, dass sich die
hydrophoben Eisenoxidpartikel im Lösungsmittelgemisch von Wasser und THF teilweise
vororientieren und polymer-stabilisierte Cluster bilden, die anschließend nicht mehr eingebaut
werden können. Dies findet bei größeren Konzentrationen noch schneller statt und führt somit
zur Ausfällung. Für einen effizienten Einbau solcher hydrophober Partikel kann keine
Vormischung gewählt werden. Um eine möglichst effiziente Beladung zu erreichen, muss
man mit 100% THF als Lösungsmittel der Polymerphase starten.
4. Ergebnisse und Diskussion
99
Hierbei muss darauf geachtet werden, dass symmetrische Flussbedingungen ausgeschlossen
sind. In diesem Fall würde der resultierende THF-Gehalt bei 50% liegen. Bei dieser THF-
Konzentration ist die Selbstorganisation noch nicht abgeschlossen bzw. kinetisch eingefroren.
Abb. 4.19: TEM-Aufnahme der vernetzten Probe GPXB8020-4
mit eingelagerten Fe-NP(weiße Pfeile)
Scalebar= 100nm
4. Ergebnisse und Diskussion
100
4.3.7.3 Dualbeladung von Polymervesikeln
Eine gleichzeitige Beladung von Eisenoxidnanopartikeln und QuantumDots wurde ohne
Vormischung untersucht. Die Verwendung von 100% THF als Lösungsmittel sollte die
Effizienz der Beladung, wie bereits im Kapitel zuvor beschrieben, deutlich erhöhen.
Dazu wurden 4w% Eisenoxid und 0,5w% (jeweils bezogen auf die Polymerkonzentration)
QuantumDots direkt in die Polymerlösung gegeben und im Mikromischer gemischt, um
multifunktionelle Polymersomen zu erhalten.
Tab. 27 zeigt die Mischergebnisse mit dem CPMM von PB160EO60COOH mit
Eisenoxidnanopartikeln und QuantumDots. Da sichergestellt werden musste, dass die THF-
Konzentration nach dem Mischen unterhalb von 34% liegt, wurde im Verhältnis 1:3
(THF:Wasser) gemischt. Auch hier kann man erkennen, dass die Vesikelgröße mit steigender
Flussrate abnimmt. Allerdings ist die Polydispersität relativ hoch. Dies ist einerseits der
großen Anteile an hydrophoben Partikeln in der Schale geschuldet. Andererseits kann es
aufgrund der asymmetrischen Flussbedingungen zu Turbulenzen bzw. Kompressionen im
THF-Strom kommen, wie dies schon in Kap. 4.2 besprochen wurde.
Alle Proben waren stabil und keine Fällung wurde beobachtet. Die hydrophoben Partikel
wurden also erfolgreich in die Vesikelschale eingebaut, obgleich eine erhöhte Polydispersität
nicht verhindert werden konnte.
Tab. 27: Analyse der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese mit Dual-Beladung
Proben
Flussrate
H2O
(ml/min)
Flussrate THF/P
(ml/min)
<Rh>
nm µ2(90°) TEM
Morphologie
XB_C6_4 4,8 1,6 73,5 0,13 S,V
XB_C6_5 2,4 0,8 77,3 0,12 S,V
XB_C6_6 1,8 0,6 84,4 0,13 S,V
XB_C6_7 0,6 0,2 83,6 0,11 S,V
XB_C6_3 0,3 0,1 103 0,07 S,V
THF/P: 5 g/L Polymer in THF; 0,5% QD-Beladung, 4% Fe-Np
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung Morphologie: S=Mizelle, V=Vesikel
Auch die TEM-Bilder (Abb. 4.20) bestätigen den erfolgreichen Einbau von Eisenoxid-
Nanopartikeln.
4. Ergebnisse und Diskussion
101
Abb. 4.20: TEM-Aufnahme der vernetzten Probe XB_C6_3 (links) und XB_C6_4 (rechts)
Einbau von Eisenoxid- und QuantumDot-Partikeln in die hydrophobe Vesikelschale
Scalebar = 100 nm
Abbildung 4.21 zeigt ebenfalls eine TEM Aufnahme der vernetzten Probe XB_C6_4. Dazu
wurden zwei EDX-Spektren von einem Vesikel und einer Mizelle aufgenommen. Sie zeigen
deutlich, dass sowohl die USPIOS (Fe-Signal) als auch die Quantum Dots (Cd-Signal) in das
Polymer eingelagert wurden. Die Quantum Dots zeigen wie vermutet, einen deutlich
schlechteren Kontrast und sind schwieriger als die Eisenoxid-Nanopartikel zu erkennen.
Energy (keV)
Counts
108642
60
40
20
0
Cd
Cd
S
Cu
Cu
Cu
Fe
Fe
Fe
20.06.38 Acquire EDX Acquire HAADF Area 1
Energy (keV)
Counts
108
642
60
40
20
0
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe Cu
Cu
Cu
Cu
Cu
20.07.51 Acquire EDX Acquire HAADF Area 2
Abb. 4.21: TEM-Aufnahme der vernetzten Probe XB_C6_4 (links) und den EDX-Spektren aus zwei verschiedenen Positionen 1 und 2
(rechts)
(Rahmen 1 entspricht dem unteren Spektrum und Rahmen 2 dem oberen Spektrum)
4. Ergebnisse und Diskussion
102
4. Ergebnisse und Diskussion
103
4.4 Pluronic®-L121-Vesikel
4.4.1 Pluronic®-L121 im Mikromischer
Pluronic®-L121 Vesikel zeichnen sich durch Biokompatibilität und eine dünne flexible
Membran aus. Die aus Polyethylenoxid und Polypropylenoxid bestehende Membran, ist nur
etwa 3-5 nm dick und sehr durchlässig für Wasser oder andere hydrophile Moleküle.[46] Der
sehr große hydrophobe Block von 68 Polypropylenoxid-Monomeren führt aber auch zu einer
hohen Tendenz lamellare Strukturen mit kleiner Krümmung ausbilden zu wollen. Gepaart mit
der hohen cmc dieses Polymers sind die Vesikel nur wenige Stunden bis Tage stabil. Durch
die Instabilität war die Einsatzmöglichkeit bisher äußerst beschränkt, da es zur Stabilisierung
erforderlich war, Quervernetzer in die Membran einzubauen. Diese Vernetzer müssen mittels
UV oder Radikalstartern aktiviert werden und verändern bzw. verkomplizieren das System.
Die Herstellung einheitlicher Vesikelgrößen ist schwierig bzw. langwierig, weil diese Vesikel
meist über Elektroformation und anschließender Extrusion dargestellt werden.
Wie schon bei den Polybutadien-Polyethylenoxid Vesikeln wurde das Polymer L121 zunächst
in THF gelöst. Dieses ist gleichermaßen für Ethylenoxid und Propylenoxid ein gutes
Lösungsmittel. Anschließend wird es mit Wasser gemischt und die Selbstorganisation
ausgelöst. Da die Selbstorganisation schon bei niedriger Wasserkonzentration ausgelöst wird,
konnte bei L121 auf eine Vormischung verzichtet werden. Es wurde dafür eine höhere
Konzentration an L121 in der Stammlösung von 10 g/L gewählt und diese in
unterschiedlichen Flussraten verwendet. Tabelle 28 fasst unterschiedliche Flussraten mit den
korrespondierenden Partikelgrößen zusammen. Wie schon bei PB-PEO führen niedrige
Flussraten zu größeren Vesikeln, während hohe Flussraten zu kleineren Partikeln führen.
Tab. 28: DLS-Ergebnisse der Pluronic®-L121-Partikelsynthese im CPMM
Proben
Flussrate
H2O
(ml/min)
Flussrate
THF/P
(ml/min)
<Rh>
nm µ2(90°)
PLA1 10 1 47 0,16
PLA2 5 1 66 0,07
PLA3 1 0,2 73 0,10
PLA4 0,6 0,12 75 0,11
Konzentration THF/P: 10g/L L121
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
4. Ergebnisse und Diskussion
104
Für weitere Anwendungen, die eine Modifikation mit unterschiedlichen Molekülen an der
Membranwand erfordern, ist es oft hilfreich zunächst eine Modifikation der Endgruppe
durchzuführen. Wie schon bei PB-PEO wurde die Endgruppe OH durch eine COOH-Gruppe
ersetzt. Diese erfolgte analog zu den Polymeren PB130-PEO66/PB160PEO60 durch Addition
eines Bernsteinsäureanhydrids. Dabei enstehen Esterbindungen, die basisch abgespalten
werden können. (siehe Anhang)
Wie schon bei PB-PEO zu beobachten war, konnte eine erneute Veränderung des
Selbstorganisationsverhaltens festgestellt werden (Tab. 29). Durch spezifische
Wechselwirkung der Carboxygruppe mit der PEO-Kette wird das Polymer in die Länge
gezogen und verschlankt damit im Vergleich zum ungeladenen Polymer seinen hydrophilen
Anteil. Somit können auch die größeren Partikelradien erklärt werden, die im Vergleich zum
unmodifizierten Polymer entstehen. Der Trend der Flussraten, die mit den Vesikelgrößen
korrelieren, bleibt allerdings gleich und bestätigt, dass unterschiedliche Flussraten
unterschiedlichen Mischzeiten entsprechen. Durch verschiedene Mischzeiten bleibt dem
Polymer unterschiedlich viel Zeit zur Selbstorganisation, woraus verschiedene Vesikelgrößen
resultieren.
Es können nicht nur verschiedene sondern auch einheitliche Größen dieser polymeren
Nanohohlkugeln erzielt werden. Bedingt durch die hohe Affinität des Polymers zur
Lamellenbildung verändern sich die Vesikel aus Polymeren mit COOH-Endgruppen noch
schneller und zeigen auch eine erhöhte Polydispersität im Vergleich zu den Vesikeln mit OH-
Endgruppen.
Tab. 29: DLS-Ergebnisse der Pluronic®-L121-COOH Partikelsynthese im CPMM
Proben
Flussrate
H2O
(ml/min)
Flussrate
THF/P
(ml/min)
<Rh>
nm µ2(90°)
PLB1 10 1 58 0,12
PLB2 5 1 62 0,13
PLB3 1 0,2 74 0,12
PLB4 0,6 0,12 95 0,11
Konzentration THF/P: 10g/L L121-COOH
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
4. Ergebnisse und Diskussion
105
4.4.2 Kontinuierliche Beladung von Pluronic®
Aufgrund der Biokompatibilität und guten Membrandurchlässigkeit sind Pluronic® als
multifunktionelle Vesikel für den Einsatz als Wirkstoffträger oder Biomarker sehr interessant.
Da eine Herstellung im Mikromischer in Kap. 4.6.1 gezeigt werden konnte, wurde nun die
Aufnahme von hydrophoben Partikeln untersucht. Durch den großen hydrophoben
Polypropylenoxidanteil von 68 Monomeren des Pluronic® L121 lassen sich ähnlich zum PB-
PEO-Polymer hydrophobe Moleküle und Partikel in die Schale einlagern.
Tab. 30 zeigt die Mischergebnisse mit unterschiedlichen hydrophoben Einlagerungen. Als
hydrophobe Einlagerungen wurden wieder superpara-magnetische, Ölsäure-beschichtete
Eisenoxidnanopartikel und fluoreszierende Quantum Dots in wechselnden Konzentrationen
gewählt.
Tab. 30: DLS-Ergebnisse der L121-COOH Partikelsynthese mit Beladung im CPMM
Proben Fe-Gehalt
(w%*)
QD-Gehalt
(w%*)
Rh**
(nm) µ2(90°)
PLB-8Fe 8 0 77 0,05
PLB-16Fe 16 0 83 0,05
PLB-4FeQD 4 0,5 74 0,09
PLB-QD 0 1 [100] [0,12]
PLB-QD2 0 2 [84] [0,14]
THF/P: 10g/L L121, Flussrate H2O=10ml/min; Flussrate THF/P=1,5ml/min
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Eckige Klammern = Hohe Polydispersität
*bezogen auf das Polymer
**gemessen nach Abdampfen über Nacht
Trotz der recht hohen Konzentration an hydrophoben Nanopartikeln blieben alle Lösungen
stabil. Da die hydrophoben Nanopartikel in Wasser sofort ausfallen würden, müssen diese
durch das Polymer stabilisiert worden sein.
Die Lichtstreuung zeigte ebenfalls keine Strukturen bei 10-20 nm, welches auf sphärische
Mizellen hindeuten würde. Die Partikel scheinen in die Vesikelmembran eingebaut worden zu
sein. Interessanterweise konnten für höhere Beladungsdichten ab 4w% niedrigere µ2-Werte
als für 1w% - 2w% Beladung gefunden werden. Alle µ2-Werte liegen dann unterhalb von 0,1
und deuten auf eine niedrige Polydispersität hin. Da die Proben erst nach Abdampfen über
Nacht gemessen wurden, sollte für alle Partikel eine erhöhte Polydispersität erwartet werden.
4. Ergebnisse und Diskussion
106
Bei hoher Beladungsdichte zeigte sich allerdings eine niedrige Winkelabhängig-keit (Abb.
4.22) und signalisiert eine Stabilisierung der Vesikel.
Durch 16w% Eisenoxidgehalt lassen sich die hergestellten Partikel durch ein Magnetfeld
leicht separieren und erneut durch Lichtstreuung vermessen. Tab. 31 liefert die DLS-
Ergebnisse der magnetseparierten Probe PLB16. Trotz der Instabilität von L121-Vesikeln
ließen sich die Partikel sehr gut abtrennen. Bei gleicher Konzentration liefern die Vesikel mit
Eisenoxid eine fast 30mal so hohe Intensität des gestreuten Lichts als die Partikel, die sich
nicht mittels Magnetfeld abtrennen ließen. Ebenfalls muss berücksichtigen werden, dass
Eisenoxid rotes Laserlicht zusätzlich absorbiert, was das tatsächliche Verhältnis an Partikeln
mit und ohne Eisen noch vergrößert. Das Eisenoxid scheint in die Vesikel gleichmäßig
eingelagert worden zu sein.
Der hydrodynamische Radius ist trotz der Abtrennung nicht signifikant größer geworden.
Dies beweist zum einen dessen magnetischen Eigenschaften und zum anderen die Stabilität
der Partikel.
Auch die statische Lichtstreuung liefert einen Trägheitsradius der nahe des hydrodynamischen
Radius liegt und daher die Annahme von Vesikeln als Morphologie der Partikel bestätigt.
0,00E+00
5,00E-09
1,00E-08
1,50E-08
2,00E-08
2,50E-08
3,00E-08
3,50E-08
4,00E-08
0,00E+00 2,00E+10 4,00E+10 6,00E+10 8,00E+10
D(q) / (cm2s-1)
q2 / cm-2
8%Fe
16%Fe
4%Fe+0,5%Qd
2%QD
1%QD
Abb. 4.22: Winkelabhängige Auftragung des apparenten Diffusionskoeffizienten der Proben;
Unterschiedliche Beladungen führen zu geringerer Winkelabhängigkeit und damit zu einer niedrigern Polydispersität
4. Ergebnisse und Diskussion
107
Tab. 31: DLS-Ergebnisse und Streuintensität der Magnetseparation
Proben Countrate
Verhältnis
Verhältnis
Intensität
<Rh>
(nm) µ2 <Rg>
(nm)
PLB-16Fe-Seperated 3,7 MHz 28 86 0,05 88
PLB-16Fe-Residue 131 kHz 1 65 0,07 64
PLB-Seperated = Magnetseparation aus 2ml Probe PLB16 in 2ml H2O
PLB-Residue = Magnetseparierte Lösung der Probe PLB16
Countrate gemessen bei 90° einer 1:10 verdünnten Probe
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
<Rg>: Trägheitsradius aus statischer Lichtstreuung bei 1:10 Verdünnung
4. Ergebnisse und Diskussion
108
4.4.3 Stabilität von Pluronic® Vesikeln
4.4.3.1 Unfunktionalisiertes Pluronic®-L121
Pluronic®-L121 Vesikel haben wie bereits erwähnt den Vorteil biokompatibel und ihre
Polymermembran durchlässig für kleine Moleküle zu sein. Durch die Möglichkeit der
direkten Beladung mit Eisenoxidpartikeln oder Quantendots können die Polymersomen in
großer Zahl und engen Größenverteilungen kontinuierlich hergestellt werden. Die Synthese
unter immer gleichen Bedingungen ermöglicht die bessere und häufigere Nutzung auch in
biomedizinischen Anwendungsgebieten. Durch Kopplung mit Targeting-Proteinen und
zusätzlichen Farbstoffmarkierungen lassen sich viele Anwendungs-möglichkeiten vorstellen.
Ein Nachteil der reinen L121-Polymersomen ist ihre Instabilität. Nur frisch hergestellte
Vesikel haben eine enge Größenverteilung. Durch Diffusion einzelner Polymermoleküle und
der Fusion vorhandener Vesikel werden die Polymerradien unterschiedlicher. Eine
Stabilisierung wurde bereits mit PETA berichtet (siehe Kap. 2.4). PETA ist allerdings
zytotoxisch und eignet sich nicht für Zellversuche. Außerdem muss das Molekül in großer
Zahl in die Vesikel eingelagert werden und anschließend mittels UV oder Radikalstartern
vernetzt werden. Dies würde weitere Anwendungsmöglichkeiten stark einschränken, da nicht
alle eingelagerten Moleküle oder Partikel UV-Bestrahlung standhalten können.
Bei der Beladung der Vesikel mit Eisenoxidnanopartikeln konnte beobachtet werden, dass die
resultieren Polymervesikel eine sehr enge Größenverteilung haben. Diese war deutlich
schmaler als bei den unbeladenen Vesikeln, die unmittelbar nach der Produktion entstanden
sind. Trotz der hohen Beladung mit 16w% Eisenoxidnanopartikeln konnte hier beobachtet
werden, dass sich die Größenverteilung dieser Vesikel kaum verändert.
Tab. 32: Zeitliche Veränderung der DLS-Radien mit unterschiedlicher Beladung
Probe Fe-NP
(w%)
Herstellung
+24 Stunden
+3 Tage
+4 Tage
+7Tage
R
h,90°
nm
µ
2
(90°)
R
h,90°
nm
µ
2
(90°)
R
h,90°
nm
µ
2
(90°)
R
h,90°
nm
µ
2
(90°)
R
h,90°
nm
µ
2
(90°)
PLSA9 0 65 0,09 61 0,09 51 0,11 49 0,1 50 0,1
PLSA10 4 66 0,09 68 0,06 66 0,08 65 0,12 65 0,1
PLSA12 16 70 0,09 67 0,1 66 0,1 66 0,1 66 0,09
THF/P: 10g/L L121, Flussrate H2O=10ml/min; Flussrate THF/P=1,5ml/min; cdls=0,1g/L
Rh,90°: Apparenter hydrodynamischer Radius bei 90° aus dynamischer Lichtstreuung
Fe-Konzentration bezogen auf den Polymeranteil
4. Ergebnisse und Diskussion
109
Tabelle 32 zeigt drei verschiedene Proben mit unterschiedlichen Eisengehalten.
PLSA9 enthält kein Eisenoxid und zeigt eine deutliche Veränderung des apparenten
hydrodynamischen Radius gemessen bei 90°. Die Probe verändert sich stetig weiter und zeigt
auch eine Zunahme des µ2-Wertes bei 90°. Dies lässt darauf schließen, dass die
Polydispersität zunimmt. Auch eine Auftragung der Diffusionskoeffizienten gegen den
Streuvektor q2 (Abb. 4.23) zeigt eine starke Veränderung der Partikelgröße.
Bei großen q-Werten bzw. Winkeln ist eine Erhöhung des Diffusionskoeffizienten zu sehen.
Dies ist dadurch zu erklären, dass die Vesikel deutlich kleiner werden, weil Polymermoleküle
aus den Vesikeln diffundieren. Bei kleinen Winkeln hingegen kann eine Verringerung des
apparenten Diffusionskoeffizienten beobachtet werden, was auf Aggregation hindeutet.
Bringt man Eisenoxidnanopartikel in die Schale der Vesikel, erhöht dies die Hydrophobizität
der Membran, denn Polymerketten können nicht ohne weiteres aus der Membran
diffundieren, da sie an die hydrophoben Eisenoxidpartikel gebunden sind.
Die winkelabhängige Lichtstreumessung zeigt bei 4%Fe-Beladung (Abb. 4.24) (w% bezogen
auf den Polymeranteil) immer noch die Aggregation von Polymervesikeln, allerdings nicht
mehr die Verkleinerung der Partikelradien bei höheren Winkeln.
0,00E+00
5,00E-09
1,00E-08
1,50E-08
2,00E-08
2,50E-08
3,00E-08
3,50E-08
4,00E-08
4,50E-08
5,00E-08
0,00E+00 2,00E+10 4,00E+10 6,00E+10 8,00E+10
D(q) / (cm2s-1)
q2 / cm-2
0h
24h
96h
120h
1-Woche
Abb. 4.23: Zeitliche Verändung der winkelabhängigen Diffusionskoeffizienten der Probe PLSA9 ohne Eisenoxidbeladung
4. Ergebnisse und Diskussion
110
Belädt man die Vesikel mit 16% Eisenoxid, zeigt sich kaum eine Veränderung der
Partikeldiffusionskoeffizienten (Abb. 4.25).
0,00E+00
5,00E-09
1,00E-08
1,50E-08
2,00E-08
2,50E-08
3,00E-08
3,50E-08
4,00E-08
4,50E-08
5,00E-08
0,00E+00 5,00E+10 1,00E+11
D(q) / (cm2s-1)
q2 / cm-2
0h
24h
96h
120h
1-Woche
Abb. 4.24: Zeitliche Verändung der winkelabhängigen Diffusionskoeffizienten der Probe PLSA10 mit 4w% Fe-Np-Beladung
0,00E+00
5,00E-09
1,00E-08
1,50E-08
2,00E-08
2,50E-08
3,00E-08
3,50E-08
4,00E-08
4,50E-08
5,00E-08
0,00E+00 5,00E+10 1,00E+11
D(q) / (cm2s-1)
q2 / cm-2
0h
24h
96h
120h
1-Woche
Abb. 4.25: Zeitliche Verändung der winkelabhängigen Diffusionskoeffizienten der Probe PLSA12 mit 16w% Fe-Np-Beladung
4. Ergebnisse und Diskussion
111
Die verbleibende Änderung ist damit zu erklären, dass immer noch Vesikel vorhanden sind,
die kein oder sehr wenig Eisenoxid enthalten. Steigert man die Eisenkonzentration auf 50%
im Verhältnis zum Polymer, entstehen immer noch sehr einheitliche Vesikel. Hier zeigt sich
keine Veränderung der Lichtstreuungsdaten, weder winkelabhängig noch im µ2-Wert bei 90°
(Abb. 4.26). Dies lässt sich damit begründen, dass Eisenoxid gleichmäßig in der Schale
verteilt ist und keine Diffusion von Polymerketten aus der Membran erlaubt. Diese Vesikel
sind über Monate stabil.
Aufgrund des niedrigen Kontrastunterschieds des Polypropylenoxids zum Wasserfilm im
Cryo-TEM konnten nur beladene Vesikel visualisiert werden. Man sieht in Abb. 4.27
ausschließlich die Eisenoxidnanopartikel. Da diese in Wasser nicht stabil sind, müssen sie
durch das Polymer stabilisiert sein.
Abb. 4.26: Zeitliche Verändung der winkelabhängigen Diffusionskoeffizienten der Probe R232 mit 50w% Fe-Np-Beladung
0,00E+00
1,00E-08
2,00E-08
3,00E-08
4,00E-08
5,00E-08
6,00E-08
0,00E+00 5,00E+10 1,00E+11
D(q) / (cm2s-1)
q2 / cm-2
0h
1Woche
1Monat
4. Ergebnisse und Diskussion
112
Das linke TEM Bild zeigt ein Vesikel mit einer „Fehlstelle“ an der kein Eisenoxid vorhanden
ist. An dieser Stelle fehlt sowohl in der im Vordergrund als auch in der im Hintergrund
liegenden Schale das Eisenoxid. Dreht man nun das Grid im Elektronenstrahl um 35°,
verschwindet das Loch scheinbar. Durch die drei dimensionale Form der Vesikel schiebt sich
das Eisenoxid der im Vordergrund liegenden Schale über das Loch. Man kann daher nicht
mehr durch das Vesikel hindurch schauen. Dadurch wird die vesikuläre Struktur dieser
Partikel bestätigt.
Abb. 4.27: Cryo-TEM Aufnahmen der Probe R232 mit 50w%Fe-NP Beladung (links)
Verkippung um 35° offenbart dreidimensonale Hohlkörperstruktur (rechts)
4. Ergebnisse und Diskussion
113
4.4.3.2 Pluronic®-L121-COOH
Auch bei dem mit Bernsteinsäureanhydrid funktionalisierten L121 veränderte sich die Größe
innerhalb von 24 Stunden von 59 nm auf 89 nm (R244, Tab. 33).
Tab. 33: Zeitliche Veränderung der DLS-Radien mit unterschiedlicher Beladung
Probe
Fe-NP
(w%)
Herstellung
+24h
+4d
+7d
Rh
µ2
Rh
µ2
Rh
µ2
Rh
µ2
R244 0 59 0,09 73 0,09 86 0,1 89 0,1
R245 4 72 0,13 78 0,13 84 0,14 85 0,12
R234 16 72 0,09 71 0,11 71 0,08
THF/P: 10g/L L121-COOH, Flussrate H2O=10ml/min; Flussrate THF/P=1,5ml/min; cdls=0,1g/L
Rh,90°: Apparenter hydrodynamischer Radius bei 90° aus dynamischer Lichtstreuung
Interessanterweise wurde hier der Radius größer. Wie bereits in der Theorie erwähnt wurde,
führt die Carboxyendgruppe zu einer Elongation der Polymerkette. Die hydrophile
Kopfgruppe hat dadurch einen geringeren Platzbedarf und führt zu einer bevorzugten
Lammellenbildung mit niedriger Krümmung. Bei kleineren Vesikeln ist diese Krümmung
deutlich stärker als bei größeren Vesikeln und erklärt die Veränderung hin zu größeren
Partikelradien (Abb. 4.28).
0,00E+00
1,00E-08
2,00E-08
3,00E-08
4,00E-08
5,00E-08
6,00E-08
0,00E+00 5,00E+10 1,00E+11
D(q) / (cm2s-1)
q2 / cm-2
0h
24h
144h
1Woche
Abb. 4.28: Zeitliche Veränderung der winkelabhängigen Diffusionskoeffizienten der Probe 244 ohne Fe-NP-Beladung
4. Ergebnisse und Diskussion
114
Trotz der veränderten Eigenschaften kann man in Tab. 32 deutlich erkennen, dass bei
Einlagerung von Eisenoxidpartikeln die Größenveränderung abnimmt. Bei einem Eisengehalt
von 16% verändern sich auch diese Polymersomen nicht mehr mit der Zeit. Sie weisen im
Vergleich zu den unmodifizierten Vesikeln einen etwas größeren Radius auf. Auch die
winkelabhängige Auftragung der Diffusionskoeffizienten bestätigt die Stabilität der Vesikel
bei Beladung mit 16%-Eisenoxid-Beladung (Abb. 4.29).
Die Cryo-TEM Aufnahme der mit 16w% Eisenoxid beladenen Probe R234 bestätigen
ebenfalls die vesikuläre Struktur (Abb. 4.30). Man erkennt ein sphärisches Partikel mit
gleichmäßiger Eisenoxidnanopartikelverteilung. Bei diesem Vesikel fehlt an einer Stelle
(roter Pfeil) das Eisenoxid im Fokusbereich und daher sieht man nur eine Doppelschicht mit
Eisenoxid in der Vesikelschale im „Hintergrund“.
0,00E+00
5,00E-09
1,00E-08
1,50E-08
2,00E-08
2,50E-08
3,00E-08
3,50E-08
4,00E-08
4,50E-08
5,00E-08
0,00E+00 5,00E+10 1,00E+11
D(q) / (cm2s-1)
q2 / cm-2
0h
120h
1Monat
Abb. 4.29: Zeitliche Verändung der winkelabhängigen Diffusionskoeffizienten der Probe R234
mit 16% Fe-Beladung
4. Ergebnisse und Diskussion
115
Kugelförmige mizellare Strukturen ohne Hohlraum können auch hier ausgeschlossen werden,
denn diese müssten in der Mitte des Partikels einen deutlichen Kontrastanstieg zeigen. Hier
müsste der Elektronenstrahl einen erheblich längeren Weg durch das Partikel zurücklegen.
Der innere Raum kann also nicht mit Eisenoxid-Nanopartikeln gefüllt sein.
Abb. 4.30: Cryo-TEM-Aufnahme der Probe R234 mit
16w%-Fe-Beladung
Der rote Pfeil markiert den Hohlraum des Vesikels
4. Ergebnisse und Diskussion
116
4.4.3.3 Konzentrationsabhängige Stabilität der Pluronic®-Vesikel
Die kritische Mizellenkonzentration von Polymeren ist ein Parameter der die Strukturbildung
beschreibt. Liegt diese sehr niedrig, bilden sich mizellare Strukturen sehr früh. (Kap. 2.1).
In Abb. 4.31 ist eine typische CMC Messung von PLSA9 zu sehen, die mit der
Lichtstreuanlage durchgeführt wurde. Man kann die cmc am Schnittpunkt der beiden Geraden
erkennen. Hier haben sich alle Partikel aufgelöst und es tritt keine weitere
Größenveränderung in der Lösung auf. Die cmc liegt bei etwa 0,017 g/L und ergibt sich aus
dem Schnittpunkt der zwei Geraden.
Der Messwert von 0,017 g/L liegt etwas über dem Literaturwert von 0,0114 g/L. Dies kann
durch die unterschiedlichen Messmethoden erklärt werden.
Bei 16% Eisenoxid verringert sich die cmc auf 0,0045 g/L und ist damit vier mal niedriger als
bei den unbeladenen Vesikeln (Abb. 4.32).
Abb. 4.31: cmc-Bestimmung der Probe PLSA9 durch Auftragung der konzentrationsunabhängigen Streuintensität gegen die
Konzentration
10000
12000
14000
16000
18000
20000
00,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035
Streuintensität /c (a.u.)
c / (g/L)
4. Ergebnisse und Diskussion
117
Das Ergebnis erklärt auch, warum sich die mit Eisenoxidnanopartikeln beladenen Vesikel viel
langsamer verändern als die unbeladenen Vesikel.
Bei den Vesikeln mit 50% Eisenoxidgehalt ist keine CMC mehr messbar. (Abb. 4.33).
Deswegen verändern sich diese Vesikel überhaupt nicht mehr und sind über mehrere Monate
stabil.
Abb. 4.32: cmc-Bestimmung der Probe PLSA12 durch Auftragung der konzentrations-unabhängigen Streuintensität
gegen die Konzentration
15000
17000
19000
21000
23000
25000
27000
29000
31000
00,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008
Streuintensität/c (a.u.)
c / (g/L)
Abb. 4.33: cmc-Bestimmung der Probe R232 durch Auftragung der konzentrations-unabhängigen Streuintensität gegen
die Konzentration
200000
250000
300000
350000
400000
450000
0,0001 0,001 0,01 0,1
Streuintensität/c (a.u.)
c / (g/L)
4. Ergebnisse und Diskussion
118
4. Ergebnisse und Diskussion
119
4.5 Pluronic® und PB-PEO Vesikel im Vergleich
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sowohl Vesikel aus PB-PEO Di-
Blockcopolymeren als auch PEO-PPO-PEO Triblockcopolymeren kontinuierlich hergestellt
werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften wie Löslichkeit(cmc),
Blockzusammensetzung etc. mussten die Bedingungen im Mikromischer an das jeweilige
Polymer angepasst werden. Das hier verwendete Polybutadien-Polyethylenoxid hat ein
deutlich höheres Molekulargewicht. Dadurch verlangsamt sich der Prozess der
Selbstorganisation und die Mischzeiten müssen relativ lang gewählt werden. Dies führt dazu,
dass man sehr niedrige Flussraten einstellen muss. Die Polymere bilden im ersten Schritt
Mizellen, die durch Kollision anschließend wachsen müssen. Diese Mizellen besitzen einen
viel größeren Radius, was die Diffusion deutlich verlangsamt und die Wahrscheinlichkeit auf
eine Kollision sinken lässt. Es ist daher auch verständlich, warum die Polybutadien-
polyethylenoxid Polymere bei symmetrischen Flussbedingungen gemischt werden müssen.
Die sonst auftretenden Turbulenzen beschleunigen den Mischungsvorgang und führen
ausschließlich zur Entstehung von Mizellen.
Im Falle des Triblockcopolymers L121 ist verläuft die Vesikelbildung leicht abweichend von
dem des PB-PEO Polymers. Nachdem der Bereich der guten Löslichkeit des hydrophoben
Blocks verlassen wurde und sich die Polymere selbst organisieren, kann sich theoretisch
sofort eine Doppelschicht ausbilden. Diese kann direkt durch Anlagerung einer Polymerkette
weiter wachsen ohne den Umweg über Mizellen zu nehmen. Dadurch wird die
Vesikelbildungszeit im Vergleich zum Diblockcopolymer erheblich verkürzt. Hier wird eine
sehr schnelle Mischzeit notwendig, da ansonsten die Vesikel sehr groß werden würden.
Pluronic®-L121 ist dafür bekannt, riesige Doppelschichten aufzubauen und letztendlich
auszufallen. Dies konnte auch beobachtet werden, wenn bei zu niedrigen Flussraten gearbeitet
wurde (< 4 ml/min).
Auch im Vergleich mit ihrer Beladungsfähigkeit unterscheiden sich die Polymere erheblich.
Während die Schale der Polybutadienvesikel destabilisiert wird, kann die L121-Membran
deutlich verstärkt werden.
Im Falle der PB-PEO-Vesikel vergrößert die Einlagerung den hydrophoben Block und führt
zu einer Destabilierung der Membran. Dies lässt sich vor allem in den TEM-Aufnahmen von
den Vesikeln mit hoher Konzentration an QuantumDots beobachten. Die Polymere bilden
keine einfache Doppelschicht aus, sondern verschmelzen zum Teil mit anderen Vesikeln und
bilden eine Art „Multivesikel“.
4. Ergebnisse und Diskussion
120
L121 weist eine relativ hohe kritische Mizellenkonzentration (cmc) auf. Dadurch sind reine
Vesikel aus L121 fragil und weisen keine große Langzeitstabilität aus. Bereits nach einem
Tag ist die Größenverteilung der Vesikel anders und verändert sich auch weiterhin. Belädt
man diese Membran mit sehr hydrophoben Eisenoxid-Nanopartikeln, erhöht dies die
Hydrophobizität der Membran. Die cmc sinkt und erhöht so ebenfalls die Stabilität der
Vesikel. Die Temperaturabhängigkeit der cmc, die ebenfalls für die Stabilität der Vesikel
verantwortlich ist, wird in einer parallelen Arbeit von R. Bleul untersucht.
5. Zusammenfassung und Ausblick
121
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden Fragestellungen zur Selbstorganisation amphiphiler
Polymere in Mikromischern untersucht. Zwei Polybutadien-b-Polyethylenoxid Copolymere
PB130-PEO66 und PB160EO60 mit jeweils zwei unterschiedlichen Endgruppen und das Triblock
Copolymer PEO5-PPO68-PEO5 Pluronic®-L121 wurden im Mikromischer auf ihre
Selbstorganisation untersucht. Alle untersuchten Polymere können im selektiven
Lösungsmittel Wasser für PEO, Vesikel mit einer Doppelschicht und innerem wassergefüllten
Kern ausbilden. Die kontinuierliche Beladung dieser Polymer-Hohlkugeln wurde ebenfalls
behandelt.
In vorherigen Arbeiten wurden verschiedene Präparationsmethoden der PB-PEO-
Polymersomen untersucht. Die Cosolvent-Methode erwies sich dabei als besonders
vielversprechend und bildet die Grundlage der Synthese von Polymersomen in
Mikromischern (vgl. Abbildung 5.1a).
Es wurden drei verschiedene Mikromischer auf ihre Fähigkeit, Polymersomen herstellen zu
können, untersucht. Zwei dieser Mikromischer beruhen auf dem Prinzip der interdigitalen
Multilamination und zwar der SIMM (Schlitz-Interdigital-MikroMischer) und der SFIMM
(SuperFocus-Interdigital-Mikromischer) vom Institut für Mikrotechnik (IMM Mainz GmbH).
Der dritte Mikromischer, es handelt sich hierbei um den gleichfalls vom IMM hergestellten
CPMM (CaterPillar-Mikromischer), beruht auf dem SAR-Prinzip (Split-and-Recombine).
In den Mischern wurden Lösungen amphiphiler Blockcopolymere in THF mit dem für PEO
selektiven Lösungsmittel Wasser kontinuierlich gemischt. Dabei konnte durch Änderungen
der Bedingungen wie Konzentration, Flussratenverhältnisse, Flussraten,
Lösungsmittelgemische oder Mischerarchitektur Einfluss auf die Selbstorganisation der
Polymere genommen werden. Die dynamische und statische Lichtstreuung wurde als
Ensemblemethode gewählt, um die erfolgreiche Synthese von selbstorganisierten Strukturen
zu zeigen. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bzw. dessen kryogene Variante
(Cryo-TEM) wurden als bildgebendes Verfahren ausgewählt.
Polybutadien-b-Polyethylenoxid Polymersomen konnten aus reinem Lösungsmittel THF in
Mikromischern nicht hergestellt werden. Die im Verlauf des Mischens entstehenden
5. Zusammenfassung und Ausblick
122
Lösungsmittelgemische, mit idealen Eigenschaften für eine freie Selbstorganisation
(Abbildung 5.1a zwischen Start und Stop), sind dann nur über eine kurze Zeitspanne
vorhanden.
Reine Lösungsmittelansätze erfordern asymmetrische Flussbedingungen im Mikromischer,
damit der verbleibende THF-Gehalt gering genug ist, um ungewünschte
Strukturveränderungen nach Austritt aus dem Mikromischer zu vermeiden. Durch diese
Asymmetrie im Profil werden sehr kurze Mischzeiten erzielt. Dadurch lassen sich kinetisch
eingefangene Strukturen erzeugen, die Einblick in den Mechanismus der Selbstorganisation
geben. Die vom PB130-PEO66 bevorzugte Vesikelbildung wird nicht erhalten. Es entstehen nur
sphärische Mizellen ohne hydrophilen Hohlraum. Diese Mizellen sind kinetisch eingefangene
Zwischenstufen der Vesikelbildung.
Die Startbedingungen wurden in soweit geändert, dass Asymmetrien im Flussprofil
vermieden werden. Dazu wurde die Menge an Wasser der THF-Lösung zugesetzt, die es
ermöglichte, symmetrische Mischbedingungen zu nutzen und damit auch bessere Kontrolle
ausüben zu können. Unterschiedliche Mischerarchitekturen haben Einfluss auf die Größe der
gebildeten Polymersomen.
Dabei zeigen Mischerarchitekturen, die eine kurze Mischzeit ermöglichen kleine
Polymersomen, wogegen Mischer mit längeren Mischzeiten größere Polymersomen ergeben
(siehe Abbildung 5.1c links ).
Auch die Flussgeschwindigkeiten der jeweiligen Ströme sind maßgeblich für die Größe der
selbstorganisierten Strukturen. Schnelle Flussraten führen bei allen Mischerarchitekturen zu
kürzeren Mischzeiten. Kleinere Zeiten lassen folglich auch nur kleinere Partikelgrößen zu. Je
langsamer die Flussrate, desto größer werden die geformten Vesikel (Abbildung 5.1c rechts).
Die Änderung der Flussraten liefert also einen sehr einfachen Weg, um kontrolliert und
kontinuierlich Polymersomen mit einer bestimmten Größe zu erhalten. Durch die
gleichbleibenden Bedingungen im Mikromischer haben die erzielten Polymersomen auch eine
sehr niedrige Polydispersität.
5. Zusammenfassung und Ausblick
123
Auch die Konzentration von PB-PEO in der THF-Phase hat einen Einfluss auf die
Selbstorganisation. Niedrigere Konzentrationen vergrößern den Abstand zwischen den
gelösten Polymerketten und verlängern die benötigte Zeit um vorgegebene Strukturen zu
bilden. Bei symmetrischen Flussbedingungen und Justierungen auf die richtige Konzentration
kann der Übergang von sphärischer Mizelle zu Vesikel beobachtet werden. Dabei entstanden
anisotrope Polymerpartikel ohne Doppellagenmembran, welche sich durch Untersuchung mit
Cryo-TEM als scheibenartige Mizellen herausstellten. Ein in der aktuellen Forschung
Abb. 5.1: Vereinfachte schematische Darstellungen der Selbstorganisation amphiphiler
Block Copolymere in Mikromischern
a) Auslösung / Abbruch der Selbstorganisation durch Veränderung der Lösungsmitteleigenschaften
b) Vereinfachtes Flussprofil in der Mikromischerkammer
c) Größenabhängigkeit der selbstorganisierten Nanopartikel im Mikromischer bei Veränderung
der Flussrate (rechts) bzw. der Lösungsmittelbedingungen (links)
Stop
Start
Konzentration des selektiven Lösungsmittels in der Polymerphase
Eingang
Ausgang
Mischkammerausdehnug
Laminares Flussprofil
Turbulentes Flussprofil
a)
b)
c)
Selbstorganisation
5. Zusammenfassung und Ausblick
124
diskutierter Mechanismus der Vesikelbildung schlägt als Übergangszustand die Scheibe
vor. Daher kann die Scheibe als Übergangszustand auch für die Block-Copolymere PB130-
PEO66 und PB160-PEO60 favorisiert werden.
Die Beladung von Polymersomen mittels Mikromischer wurde ebenso untersucht. Dabei
stand vor allem die hydrophobe Beladung im Mittelpunkt, die der Präparation mittels
Filmrehydration vorbehalten war. Durch Zugabe von hydrophoben Partikeln wie stark
fluoreszierenden Quantum Dots oder superparamagnetischen Eisenoxidpartikel sollten
multifunktionelle Polymersomen kontinuierlich dargestellt werden. Durch die hohe
Mischgeschwindigkeit ist es möglich, diese Partikel mittels Cosolvent-Methode in die
Membran einzulagern. Durch kurze Mischzeiten konnte die Ausfällung stark hydrophober
Partikel im Mikromischer vermieden werden. Stattdessen werden sie in die Polybutadien-
Membran eingebaut und stabilisiert.
Aufgrund besserer Bioverträglichkeit und Zugänglichkeit wurde auch die Selbstorganisation
von Pluronics®-L121 in Mikromischern untersucht. Polymersomen aus L121 wurden bisher
nur per Filmrehydration oder Elektroformation hergestellt. Im Cosolvent-Verfahren war eine
Herstellung bisher nicht möglich, da L121 zu großer Lamellenbildung neigt und schnell
ausfällt. Trotzdem konnten Mischbedingungen gefunden werden, bei denen sich
Polymersomen mit niedriger Polydispersität kontinuierlich produzieren ließen. Durch
Veränderung der Endgruppe mittels Bernsteinsäureanhydrid werden die
Modifizierungsmöglichkeiten erleichtert. Mit dem so entstandenen Polymer können ebenfalls
Polymersomen kontinuierlich im Mikromischer hergestellt werden. Die L121 Vesikel sind
allerdings zeitlich instabil und verlieren die im Mikromischer erreichte niedrige
Polydispersität innerhalb weniger Tage.
Auch die Beladungsmöglichkeiten für von L121 mit Eisenoxid-Nanopartikeln und Quantum
Dots wurden untersucht. Es gelang hier ebenfalls eine kontinuierliche Beladung dieser
Hohlkugeln sowohl mit QDs als auch USPIOs.
Interessanterweise führte diese hydrophobe Beladung von Pluronic®-Polymersomen mit
Quantum Dots oder Eisenoxidnanopartikeln zu einer Stabilisierung der flexiblen Membran. Je
höher die Konzentration eingelagerter hydrophober Partikel ist, desto niedriger ist die
zeitliche Veränderung der Partikelradien.
5. Zusammenfassung und Ausblick
125
Auch die cmc des Polymers L121 verringert sich merklich. Dabei wird die cmc umso
niedriger, desto höher die hydrophobe Beladung ist. Trotz der starken Hydrophobizität setzt
auch nach Wochen weder Fällung noch Veränderung der Partikelgröße ein.
Abbildung 5.2 zeigt den schematischen Aufbau der verwendeten Mikromischeranlage. Dabei
kann zwischen den untersuchten drei Mikromischern gewählt werden. Hydrophile und
hydrophobe Beladungen können den Startlösungen zugesetzt werden. Es entstehen schließlich
kontinuierlich multifunktionelle Polymersomen.
Abb. 5.2: Schematische Herstellung und Beladung von Polymersomen mittels Mikromischeranlage
mit drei verschiedenen Mischerarchitekturen:
Schlitzinterdigitalmikromischer (SIMM)
Superfocusinterdigitalmikromischer (SFIMM)
CaterPillar/Raupenmischer (CPMM)
5. Zusammenfassung und Ausblick
126
Ausblick
Die vorgestellte Herstellung und Beladung amphiphiler Polymerpartikel im Mikromischer
liefert einen einfachen und kontinuierlichen Zugang zu unterschiedlich großen
selbstorganisierten Strukturen.
Anhand des Modellsystems PB-PEO, welches sich leicht mittels TEM und DLS analysieren
lässt, konnte der erfolgreiche Syntheseweg auf ein anderes Polymersystem übertragen
werden. Wie auch beim PB130-PEO66 kann der Mechanismus der Selbstorganisation von
weiteren Polymersystemen untersucht werden.
Für ein spezifisches Polymer können im Mikromischer unterschiedlich große Strukturen
erhalten werden. Anhand von Zelltests ließe sich die am besten verträgliche Struktur
ermitteln. Dies ermöglicht bei späterer Anwendung im biomedizinischen Bereich
unerwünschte Wirkungen reduzieren zu können.
Die großen Variationsmöglichkeiten, die sich allein durch die Änderung der Monomere bei
Polymeren ergeben, können vielfältige Polymersomen mit spezifischen Eigenschaften liefern.
Diese reichen von hoher bis niedriger Membranpermeabilität über stimuli-responsive bis hin
zu magnetischen und fluoreszierenden Fähigkeiten. Die einfache und kontinuierliche
Synthese unterschiedlicher Partikel amphiphiler Systeme bietet eine wichtige Grundlage für
weitreichende Anwendungen als Nanoreaktoren, Kontrastmittel oder multifunktionelle
Wirkstoffträger sowohl in der Forschung als auch in der Industrie.
Die Bioverträglichkeit und einfache Verfügbarkeit von PEO-PPO-PEO machen dieses System
zu einem vielversprechenden Vertreter für biomedizinische Anwendungen. Mit weiterer
Funktionalisierung durch Farbstoffe/Targeting-Liganden und sowohl hydrophiler als auch
hydrophober Beladung von Wirkstoffen, stellen sich die Pluronic®-L121-Polymersomen als
hoch interessantes System dar mit breiter Anwendungsperspektive im medizinisch-
biologischen Umfeld. Bei gleichzeitiger Beladung mit Wirkstoffen und magnetischen
Partikeln könnte sich durch Anlegen magnetische Felder die Freisetzung gezielt steuern
lassen und ebnet den Weg zur Anwendung in der Theranostik.
6. Experimenteller Teil
127
6 Experimenteller Teil
6.1 Vesikelpräparation
Alle Lösungen wurden mit destilliertem, entionisiertem Wasser aus einer Milli-Q-Anlage von
Satorius präpariert. Tetrahydrofuran wurde von Merck, Acros oder Fluka in p.a. Qualität
bezogen und durch Destillation vom enthaltenen Stabilisator befreit. Die verwendeten Filter
stammen von Millipore.
Das verwendete PB130-PEO66-H bzw. PB130-PEO66-COOH (1A/1B, vgl. Theorie) wurden von
M. Maskos durch anionische Polymerisation synthetisiert, charakterisiert und zur Verfügung
gestellt. Das zweite PB160-PEO60-COOH wurde ebenfalls durch anionische Polymerisation
hergestellt, allerdings ein anderer Initiator verwendet. Pluronic® L121 (Sigma Aldrich) wurde
ohne weitere Aufarbeitung verwendet. L121-COOH wurde durch Kopplung von L121 und
Bernsteinsäureanhydrid hergestellt und mittels Dialyse von überschüssigem
Bernsteinsäureanhydrid in THF befreit. Das THF wurde durch Destillation entfernt und das
Polymer im Hochvakuum getrocknet.
6.1.1 Batch
Eine Stammlösung mit 10mg/ml des jeweiligen Polymers in THF wurde hergestellt und
filtriert (LG-F, 0,2 μm). In einem Rundkolben mit Rührfisch wurden 1,6 ml THF vorgelegt
und 0,5 ml dieser 1B-Stammlösung zugesetzt (entspricht 5 mg Polymer in 2,1 ml THF). Unter
Rühren wurde 5 mL Wasser
kontrolliert mittels einer Spritzenpumpe (Bioblock Scientific) mit einer Geschwindigkeit von
9,9 ml/h zudosiert. Nach beendeter Wasserzugabe standen die Proben offen bis das THF
vollständig abgedampft war (Geruchs- und
Gewichtskontrolle). Durch Wiegen wurde die Polymer-Endkonzentration bestimmt.
6.1.2 Vesikelvernetzung
Zur Vernetzung wurden die Polymerlösungen in Glasgefäßen gut verschlossen zum Versand
verpackt. Es wurde darauf geachtet, dass die Konzentrationen der Lösungen nicht über
1,5 g/L lag, da ansonsten eine Fällung beobachtet werden konnte.
6. Experimenteller Teil
128
Bei der Firma Isotron Deutschland GmbH (Firmensitz: Kesselbodenstr. 7, D-85391
Allershausen) wurden die Proben mit einer Durchschnitts-Dosis von 60 kGy mittels Co60
Quelle bestrahlt und anschließend zurückgeschickt.
6.1.3 Mikromischer
6.1.3.1 Ansetzen der reinen Polymerlösungen
Das jeweilige Polymer wurde vor Verwendung im Vakuum getrocknet. Anschließend wurde
es abgewogen und dann mit destilliertem THF gelöst. Vor der Verwendung im Mikromischer
wurde es mit einem Milex LCR 5 μm Filter von Staub oder anderen Partikeln befreit.
6.1.3.2 Polymergemische
Zunächst wurde das Polymer in reinem THF wie oben präpariert und anschließend mit
Wasser auf das gewünschte Verhältnis langsam verdünnt. Dabei wurde beachtet, dass die
Lösung weder eine hohe Viskosität noch eine starke Trübung aufwies.
6.1.3.3 Polymerlösungen mit hydrophober Beladung
Die QuantumDots QD2 wurden von Michaela Wagner, Arbeitskreis Prof. Basché wie in [87]
beschrieben synthetisiert. Die QD2 tragen Ölsäure und Oleylamin als hydrophobe
Oberflächenliganden, waren aus einem Kern mit vier Schalen CdS und einer Außenschale
ZnS aufgebaut und in Chloroform gelöst. Durch Trocknung und anschließender
Resolubilisierung wurden sie in THF überführt.
Die Quantum Dots von Can (Hamburg) wurden direkt in Hexan geliefert und wie QD2 in
THF überführt.
Eisenoxidnanopartikel wurden als Ferrofluid (Eisenoxidnanopartikel in Mineralöl 80w%) bei
supermagnete.de bestellt. Durch Zugabe von THF und anschließender Dialyse wurde das
Mineralöl entfernt. Die THF Lösung war stabil und keine Fällung bzw. Trübung ist
aufgetreten. Durch Trocknung wurde der Feststoffgehalt gravimetrisch bestimmt.
Den Polymerlösungen aus reinem THF wurden bei Beladung mit Quantum Dots oder
Eisenoxidnanopartikeln in THF diese direkt in die Lösung getropft.
Bei den Polymeren in Lösungsmittelgemischen wurde zunächst das Beladungsagens in der
gewünschten Menge zugesetzt und anschließend das Wasser zudosiert.
6. Experimenteller Teil
129
6.1.3.4 Partikelsynthese im Mikromischer
Die Förderung der jeweiligen Lösungen erfolgte mit zwei HPLC-Pumpen von Knauer. Die
Pumpenköpfe waren aus Keramik, um diese auch mit aggressiveren Lösungen bzw. Reinigern
betreiben zu können.
Zur Wahl standen drei verschiedene Mikromischer des Instituts für Mikrotechnik Mainz
(IMM). Der SIMM (Schlitz Interdigital Mikromischer) mit interdigitalem Mischprofil, der
SFIMM (SuperFocusInterdigitalMikromischer) mit vergleichs-weiser hoher
Kompressionsrate und zuletzt der CPMM (CaterPillar Mikromischer) der ein „Split and
Recombine“-Mischprofil erzeugt.
Alle Mischversuche wurden in einem Thermostat-Bad von Huber (Huber MPC-K12) bei
kontrollierter Temperatur durchgeführt.
Vor jeder Synthese im Mikromischer wurden die Pumpen auf Ungenauigkeiten der Flussrate,
die Mischer auf Verstopfung und die Schläuche auf Verunreinigungen geprüft.
Nachdem man beide Pumpen mit der jeweiligen Flussrate gestartet hatte, wurden 3,5 ml an
eluierter Probe verworfen und anschließend in Schraub-deckelgläsern aufgefangen.
Polybutadienvesikel wurden zum Abdampfen bei Raumtemperatur stehen gelassen, bis in der
Probe kein THF mehr vorhanden war (Geruchs- und Gewichtskontrolle).
Durch die zeitliche und thermische Instabilität der Pluronicvesikel wurde das THF bei den
L121-Proben im Rotationsverdampfer bei 30°C innerhalb einer halben Stunde abgedampft
und direkt in der Lichtstreuung vermessen.
Bei allen Proben wurde darauf geachtet, dass keine Fällung beobachtet werden konnte.
Die Proben R232 (Pluronic®-L121 mit 50w% Eisenoxid) und R234 (L121-COOH mit 16w%
Eisenoxid) wurden von R.Bleul analog zu den beladenen L121-Proben PLA/PLB im CPMM
Mikromischer hergestellt und zur Verfügung gestellt.
6. Experimenteller Teil
130
6. Experimenteller Teil
131
6.2 Charakterisierung
6.2.1 Elektronenmikroskopie
Die Elektronenmikroskopieaufnahmen wurden an zwei verschiedenen Mikroskopen
durchgeführt.
Vernetzte Proben wurden vorwiegend mit einem EM420 von Philips mit 120 kV
Beschleunigungsspannung gemessen und mit einer CCD-Kamera festgehalten.
Alle Cryo-TEM Aufnahmen und einzelne getrocknete bzw. vernetzte Proben wurden an
einem Tecnai F12 von Fei mit 120 kV Beschleunigungsspannung gemessen. Die EDX-
Aufnahmen erfolgten an einem Tecnai 300 von Fei mit 300kV Beschleunigungsspannung.
Für die Vitrifizierung der cryogenen TEM-Proben wurde ein Vitrobot (FEI)
zu Hilfe genommen. Auf die Grids (Quantifoil ‘Holey Carbon Films‘ R2/1), die zuvor im
Plasma-Ofen für 45 s im Argon-Sauerstoff-Strom gereinigt wurden, wurde 5 µL der Probe
aufgetragen.
Die atmosphärischen Bedingungen lagen in der Präparationskammer bei 20°C und 90-100%
Luftfeuchtigkeit.
Das Schockgefrieren der Probe erfolgte in kondensiertem Propan unter Kühlen mit flüssigem
Stickstoff.
6.2.2 Lichtstreuung
Die Lichtstreu-Messungen wurden an einer Anlage der Firma ALV GmbH durchgeführt. Die
eine Anlage besteht aus einem Helium-Neon Laser (JDS
Uniphase, λ=632,8 nm, P=22 mW), einem Goniometer (ALV, CGS-3) mit acht Single-
Photon-Detektoren (SO-SIPD), einem Thermostat (Haake, C25P) und zwei Multiple-Tau
Realtime Digital Korrelator (Multiple Tau Correlator ALV-7004) für jeweils 4
Korrelationsfunktionen.
Die dynamischen Messungen wurden in einem Winkelbereich von 26° bis 152° in 8°-
Schritten durchgeführt. Das zur Auswertung verwendete, arbeitskreisinterne Fitprogramm
basiert auf dem Simplex-Algorithmus (Simplexe Version 3.2, bzw. HDRC Version 5.1). Zur
Bestimmung des Kumulanten μ2 wurde jeweils für die Daten der 90°-Messung ein
Kumulantenfit [a+b*exp(-x/c+d*x²)] verwendet. Zur Bestimmung des
Diffusionskoeffizienten Dapp wurde ein biexponentieller Fit [a+b*exp(-x/c)+d*exp(-x/e)]
verwendet, und die winkelabhängigen Ergebnisse anschließend für q→0 extrapoliert.
6. Experimenteller Teil
132
Im Folgenden wird eine beispielhafte Auswertung der dynamischen Lichtstreuung anhand der
Probe XB-292-1 durchgeführt. Diese Methode wurde für alle DLS-Ergebnisse durchgeführt.
Zunächst wurden vier Korrelationesfunktionen bei insgesamt 16 Winkeln gemessen.
Die vier Korrelationsfunktionen eines Winkels wurden anschließend gemittelt (Abb. 6.1)
Im Anschluss wurde diese Korrelationsfunktion der Probe bei einem Winkel Bi-exponentiell
gefittet. Aus diesem ergab sich der apparente Diffusionskoeffizient bei diesem Winkel (Abb.
6.2).
Durch Auftragung der einzelnen ermittelten Diffusionskoeffizienten konnte eine
Regressionsgerade auf q=0 erstellt wurden. Mit q=0 erhält man den z-gemittelten
Diffusionskoeffizienten und über die Stokes-Einstein-Gleichung aus diesem den
hydrodynamischen Radius (siehe Kap. 3).
Mittelung
Abb. 6.1: Mittellung vier Korrelationsfunktionen eines Winkels
Bi-exp-Fit
Abb. 6.2: Bi-exponentieller Fit zur Bestimmung des Diffusionskoeffizienten aus der gemittelten Korrelationsfunktion und zugehöriges
Residuum
6. Experimenteller Teil
133
Die statischen Messungen wurden in einem Winkelbereich von 25° bis 152° in 1°- bzw. 5°-
Schritten durchgeführt und mit der Software ALV Statik Version 4.25 ausgewertet. Die
verdünnten Vesikellösungen wurden durch geeignete Filter (LCR/LH mit 0,45 μm bzw. LS
mit 5 μm Poren) in staubfreie Küvetten filtriert.
6.2.3 CMC-Messungen
Die Messung der kritischen Mizellenkonzentration (cmc) erfolgte mit der
Lichtstreuungsanlage. Die Bestimmung der cmc wurde durch Auftragung der Countrate bei
90° gegen die Konzentration bestimmt. Um den durch die Verdünnung bedingten Abfall der
Countrate zu bereinigen, wurde die Countrate noch mal durch die Konzentration geteilt. Die
cmc wurde dann an dem Punkt bestimmt, an dem die konzentrationsbereinigte Countrate
nicht weiter abfällt, da sich hier die Polymersomen vollständig aufgelöst haben.
<D
h
>
z
Abb. 6.3: Ermittlung des z-gemittelten Diffusionskoeffizienten
durch lineare Regression auf q=0
6. Experimenteller Teil
134
7. Anhang
135
7 Anhang
Ergänzende Daten
Weitere Ergebnisse des SFIMM mit PB130-PEO66
Auch höhere Konzentrationen führen nicht zur ausschließlichen Entstehung von Vesikeln im
SFIMM. Auch eine Kontrolle über die Selbstorganisation ist nicht gegeben und spiegelt sich
in den hohen µ2-Werten wider.
Tab. A. 1: Analyse der Partikelsynthese im Superfocus-Mikromischer
Probe Fluss H2O
ml/min
Fluss THF
ml/min
DLS-Radius
nm μ2 (90°) TEM
Morphologie
SF17 19,2 0,24 20,8 0,1 s,v
SF18 19,2 0,16 23 0,09 s,v
SF19 16 0,2 23 0,09 s,v
SF20 16 0,14 33,5 0,1 s,v
SF21 12,8 0,16 32,5 0,12 s,v
SF22 12,8 0,1 35,6 0,1 s,v
SF23 8 0,1 43,6 0,15 s,v
SF24 8 0,06 37,9 0,1 s,v
Ausgangslösung: 80 g/L Polymer in THF
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
Tab. A. 2: Analyse der Partikelsynthese im Superfocus-Mikromischer
Probe Fluss H2O
ml/min
Fluss THF
ml/min
DLS-Radius
nm μ2 (90°) TEM
Morphologie
SF25 20 0,2 27,4 0,18 s,v
SF26 20 0,1 39,3 0,19 s,v
SF27 16 0,16 41,4 0,17 s,v
SF28 16 0,08 46,1 0,19 s,v
SF29 12,8 0,12 44,5 0,20 s,v
SF30 12,8 0,06 44,1 0,18 s,v
SF31 8 0,08 44,6 0,17 s,v
SF32 8 0,04 49,2 0,19 s,v
Ausgangslösung: 100 g/L Polymer in THF
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
7. Anhang
136
Abb. 7.1: TEM-Aufnahmen vernetzter Proben aus den Mischversuchen im SFIMM mit 80 und
100 g/L Polymerkonzentration
Scalebar = 100nm
7. Anhang
137
Verhältnis der 1,2/1,4-Verknüpfung in Polybutadien
Abbildung 7.2 zeigt das H-NMR-Spektrum des Polybutadien-Precursors. Aus den
Verhältnissen der Peakbanden lässt sich analog zu Förster [1999] ein Verknüpfungsgrad von
88% 1,2- und 12%-1,4-Polybutadien feststellen.
88% 1,2-Verknüpfung*
Abb. 7.2: NMR-Spektrum des Polybutadien-Precursors, anhand der Peakverhältnisse ergibt sich ein Verhältnis von 88% 1,2- und 12% 1,4-
Verknüpfung
7. Anhang
138
Pluronics-L121 Modifikation
Abb. 7.3 zeigt die Modifikation des Pluronic-L121 Polymers mit einer Carboxygruppe. Die
OH-Endgruppe von L121 wird durch Bernsteinsäureanhydrid verestert. Überflüssiges
Bernsteinsäureanyhdrid wurde mittels Dialyse entfernt. Das IR-Spektrum (Abb. 7.4) zeigt die
erfolgreiche Modifikation mit Bernsteinsäureanhydrid durch die Carbonylbande bei
1700 cm-1.
Abb. 7.3: Veresterung des Pluronic L121 mit Bernsteinsäureanhydrid
Abb. 7.4: IR-Spektrum von L121 vor und nach der Modifikation mit Bernsteinsäureanhydrid; die Bande bei 1700 zeigt die
Carbonylbande des Bernsteinsäureanhydrids
7. Anhang
139
Fluoreszenzmessung von Vesikeln mit Quantum Dots
Um die Reproduzierbarkeit und Fluoreszenz unter Beweis zu stellen, wurden Quantum Dots
der Firma Can in die Vesikel eingelagert. Die Fluoreszenz dieser Partikel ist in Abbildung
7.5-7.7 zu sehen.
Tab. A. 3: Analyse der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM mit QDs
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
TEM
Morphologie
Cd9 3,6 34 0,08 s,v
Cd10 1,8 39 0,08 v
Cd11 0,4 43 0,07 v
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 0,5w% QD 2,92 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
450 500 550 600 650 700 750
Fluoreszenz / a.u.
Wellenlänge / nm
Cd9
Abb. 7.5: Fluoreszenzspektrum der Probe Cd9
7. Anhang
140
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
450 500 550 600 650 700 750
Fluoreszenz / a.u.
Wellenlänge / nm
Cd10
Abb. 7.7: Fluoreszenzspektrum der Probe Cd10
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
450 500 550 600 650 700 750
Fluoreszenz / a.u.
Wellenlänge / nm
Cd11
Abb. 7.6: Fluoreszenzspektrum der Probe Cd11
7. Anhang
141
Abb. 7.8: TEM-(oben) und Cryo-TEM-(unten)-Aufnahmen der Proben Cd9-Cd11
Scalebar = 100 nm
Cd9
Cd10
Cd11
7. Anhang
142
Reproduzierbarkeit
Zusätzlich wurde die gleiche Synthese am nächsten Tag für eine Flussrate wiederholt. Die
größten Fehlerquellen sind gegeben durch Konzentrations-schwankungen und Schwankungen
in der THF-Vormischung. Wenn diese genau eingestellt werden, ist die Reproduzierbarkeit
im Mischer extrem hoch und beträgt nur wenigen Prozent. Auch die winkelabhängige
Auftragung und die niedrigen µ2-Werte zeigen die gute Kontrollierbarkeit der
Selbstorganisation.
Tab. A. 4: Wiederholung der PB160-PEO60-COOH Partikelsynthese im CPMM
Probe
Flussrate
ml/min
R
h
nm
µ2
Cd10 1,8 39,3 0,08
Cd10w 1,8 39 0,07
Flussbed.: Wasser/THF 1:1; Ausgangslösung: 0,5w% QD 2,92 g/L Polymer in THF/H2O (73/27 v%/v%)
<Rh>: Reziprokwert eines reziproken z-Mittels <1/Rh>z-1 aus dynamischer Lichtstreuung
Morphologie: s=Mizelle; v=Vesikel; d=Scheibe
0,00E+00
1,00E-08
2,00E-08
3,00E-08
4,00E-08
5,00E-08
6,00E-08
7,00E-08
0,00E+00 2,00E+10 4,00E+10 6,00E+10 8,00E+10
Diffusionskoeffizient cm2/s
q2 / cm-2
Cd10
Abb. 7.9: Winkelabhängige Auftragung der Diffusionskoeffizienten
0,00E+00
1,00E-08
2,00E-08
3,00E-08
4,00E-08
5,00E-08
6,00E-08
7,00E-08
0,00E+00 2,00E+10 4,00E+10 6,00E+10 8,00E+10
Diffusionskoeffizient cm2/s
q
2
/ cm
-2
Cd10w
Abb. 7.10: Winkelabhängige Auftragung der Diffusionskoeffizienten
7. Anhang
143
Ergänzende TEM-Aufnahmen
Abb. 7.11: TEM-Aufnahme von vernetzten Mizellen bestehend aus dem Polymer
PB160-PEO90 nach Batchsynthese (Scalebar = 100 nm)
Abb. 7.12: Weitere TEM-Aufnahmen der PB
160
-PEO
60
-COOH-Partikel aus dem CPMM nach Vernetzung
(Scalebar entspricht 100 nm)
7. Anhang
144
Abb. 7.14: Weitere TEM-Aufnahmen der PB
130
-PEO
66
-COOH-Partikel aus dem CPMM nach Vernetzung
Abb. 7.13: Weitere TEM-Aufnahmen der PB130-PEO66-Partikel aus dem CPMM nach Vernetzung
7. Anhang
145
Abb. 7.15: TEM-Aufnahmen der PB130-PEO66-Partikel aus dem SIMM nach Vernetzung
Abb. 7.16: TEM-Aufnahmen der PB130-PEO66-Partikel aus dem CPMM nach Vernetzung
7. Anhang
146
Abb. 7.17: TEM-Aufnahmen der PB
130
-PEO
66
-Partikel aus dem SFIMM bei symmetrischen Flussraten nach Vernetzung
Abb. 7.18: TEM-Aufnahmen der PB
130
-PEO
66
-COOH Partikel aus dem SFIMM bei symmetrischen Flussraten
nach Vernetzung
7. Anhang
147
Abb. 7.19: Weitere TEM-Aufnahmen der PB
130
-PEO
66
-Partikel aus dem SFIMM bei symmetrischen Flussraten und
niedriger Konzentration nach Vernetzung
Abb. 7.20: TEM-Bilder vernetzter Proben aus denen die Scheiben/Vesikel-Statistik erstellt wurde
7. Anhang
148
Abb. 7.22: Weitere TEM-Aufnahmen der PB
160
-PEO
60
-COOH-Partikel aus dem CPMM nach Vernetzung
(Scalebar entspricht 100 nm)
Abb. 7.21: Weitere TEM-Aufnahmen der PB
160
-PEO
60
-COOH-Partikel aus dem CPMM nach Vernetzung
(Scalebar entspricht 100 nm)
7. Anhang
149
Abb. 7.24: Weitere TEM-Aufnahmen der PB
160
-PEO
60
-COOH-Partikel aus dem CPMM nach Vernetzung
(Scalebar entspricht 100 nm)
Abb. 7.23: Weitere TEM-Aufnahmen Eisenoxid-beladenen PB
160
-PEO
60
-COOH-Partikel aus dem
CPMM nach Vernetzung (Scalebar entspricht 100 nm)
7. Anhang
150
Abb. 7.25: Weitere TEM-Aufnahmen der QD-beladenen PB
160
-PEO
60
-COOH-Partikel aus dem CPMM nach Vernetzung (Scalebar
entspricht 100 nm)
Abb. 7.26: Weitere TEM-Aufnahmen der dual-beladenen PB
160
-PEO
60
-COOH-Partikel aus dem CPMM nach
Vernetzung (Scalebar entspricht 100 nm)
7. Anhang
151
Abkürzungsverzeichnis
1A Copolymer PB130-PEO66-OH
1B Copolymer PB130-PEO66-COOH
Abb. Abbildung
Abs. Abschnitt
AFM Rasterkraftmikroskopie
s-BuLi s-Butyllithium
Cx Konzentration x
CdSe Cadmiumselenid
CdS Cadmiumsulfid
CPMM ‘split and recombine‘-Mikromischer
CryoTEM Cryogene Transmissionselektronenmikroskopie
d Durchmesser
D Diffusionskoeffizient
DLS Dynamische Lichtstreuung
DMSO Dimethylsulfoxid
L121 PEO5-PPO68-PEO5
LS Lichtstreuung
Mn Zahlenmittel der Molmasse
Mw Gewichtsmittel der Molmasse
NR Nilrot
PB Polybutadien
PEO Polyethylenoxid
PLA PEO5-PPO68-PEO5
PLB HOOC-PEO5-PPO68-PEO5-COOH
PPO Polypropylenoxid
QD Quantum Dot, Halbleiter-Nanokristall
Rg Trägheitsradius
Rh Hydrodynamischer Radius
SIMM Schlitz-interdigital Mikromischer
SFIMM SuperFocus Mikromischer
SLS Statische Lichtstreuung
t-BuP4 N-[[tert-butylimino-bis[[tris(dimethylamino)-λ5-phosphanylidene]amino]-λ5-phosphanyl]imino-
bis(dimethylamino)-λ5-phosphanyl]-N-methylmethanamin
Tab. Tabelle
TEM Transmissionselektronenmikroskopie
THF Tetrahydrofuran
USPIO-NP Ultra-kleine superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel
XA Copolymer PB160-PEO60-OH
XB Copolymer PB160-PEO60-COOH
ZnS Zinksulfid
w% Gewichtsprozent
v% Volumenprozent
7. Anhang
152
8. Literatur
153
8 Literatur
1. Wolf EL and Medikonda M. Understanding the Nanotechnology Revolution, 2012.
2. Goddard WA, Brenner DW, Lyshevski SE, and Iafrate GJ. Handbook of NANOSCIENCE, ENGINEERING, and
TECHNOLOGY, Third ed., 2012.
3. Kita-Tokarczyk K, Grumelard J, Haefele T, and Meier W. Polymer 2005;46(11):3540-3563.
4. Discher BM, Won YY, Ege DS, Lee J-M, and Bates FS. Science 1999;284:1143.
5. Meier W. Block Copolymer Vesicles. Block Copolymers in Nanoscience.
6. Brown L, McArthur SL, Wright PC, Lewis A, and Battaglia G. Lab on a Chip 2010;10(15):1922-1928.
7. Liu GY, Liu XS, Wang SS, Chen CJ, and Ji J. Langmuir 2012;28(1):557-562.
8. Allen TM and Cullis PR. Science 2004;303(5665):1818-1822.
9. Kuznetsov AA, Filippov VI, Nikolskaa TA, Budko AP, Kovarskii AL, Zontov SV, Kogan BY, and Kuznetsov OA. Journal of
Magnetism and Magnetic Materials 2009;321(10):1575-1579.
10. Vartholomeos P, Fruchard M, Ferreira A, and Mavroidis C. Annual Review of Biomedical Engineering 2011;13(1):157-184.
11. Saritas EU, Goodwill PW, Zhang GZ, and Conolly SM. Medical Imaging, IEEE Transactions on 2013;PP(99):1-1.
12. Lensen D, Vriezema DM, and van Hest JCM. Macromolecular Bioscience 2008;8(11):991-1005.
13. Nardin C, Hirt T, Leukel J, and Meier W. Langmuir 2000;16:1035.
14. Meier W, Nardin C, and Winterhalter M. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2000;39:4599.
15. Ringsdorf H, Schlarb B, and Venzmer J. Angewandte Chemie 1988;100(1):117-162.
16. Vögtle F. Supramolekulare Chemie. Stuttgart: Teubner, 1992.
17. Blokzijl W and Engberts JBFN. Angewandte Chemie International Edition in English 1993;32(11):1545-1579.
18. Israelachvili JN. Intermolecular and Surface Forces, 2ed ed., 1992.
19. Hyde ST. J. Phys. Colloques 1990;51(C7):C7-209-C207-228.
20. Antonietti M and Förster S. Advanced Materials 2003;15(16):1323-1333.
21. Rodriguez-Garcia R, Mell M, Lopez-Montero I, Netzel J, Hellweg T, and Monroy F. Soft Matter 2011;7(4):1532-1542.
22. Uneyama T. Journal of Chemical Physics 2007;126(11).
23. Le Meins JF, Sandre O, and Lecommandoux S. Eur. Phys. J. E 2011;34(2):14.
24. Bressel K, Muthig M, Prevost S, Grillo I, and Gradzielski M. Colloid and Polymer Science 2010;288(8).
25. Bressel K, Muthig M, Prevost S, Gummel J, Narayanan T, and Gradzielski M. Acs Nano 2012;6(7):5858-5865.
26. Adams DJ, Adams S, Atkins D, Butler MF, and Furzeland S. Journal of Controlled Release 2008;128(2):165-170.
27. de Vries AH, Mark AE, and Marrink SJ. Journal of the American Chemical Society 2004;126(14):4488-4489.
28. Daoulas K and Müller M. Comparison of Simulations of Lipid Membranes with Membranes of Block Copolymers. In: Meier WP
and Knoll W, editors. Polymer Membranes/Biomembranes, vol. 224: Springer Berlin Heidelberg, 2010. pp. 43-85.
29. Shillcock JC. Langmuir 2011;28(1):541-547.
30. He X and Schmid F. Macromolecules 2006;39(7):2654-2662.
31. Bermudez H, Brannan AK, Hammer DA, Bates FS, and Discher DE. Macromolecules 2002;35:8203.
32. Mueller W, Koynov K, Pierrat S, Thiermann R, Fischer K, and Maskos M. Polymer 2011;52(5):1263-1267.
33. Discher BM, Bermudez H, Hammer DA, Discher DE, Won YY, and Bates FS. J. Phys. Chem. B 2002;106:2848.
34. Won Y-Y, Davis HT, and Bates FS. Science 1999;283(5404):960-963.
35. Michael M and Harris JR. Macromolecular Rapid Communications 2001;22(4):271-273.
36. Owens DE and Peppas NA. International Journal of Pharmaceutics 2006;307(1):93-102.
37. Illum L and Davis SS. Journal of Pharmaceutical Sciences 1983;72(9):1086-1089.
38. Jain S and Bates FS. Macromolecules 2004;37(4):1511-1523.
39. Kukula H, Schlaad H, Antonietti M, and Forster S. J. Am. Chem. Soc. 2002;124:1658.
40. Maskos M. Polymer 2006;47(4):1172-1178.
41. Jiang X, Ortiz C, and Hammond PT. Langmuir 2002;18(4):1131-1143.
42. Rheingans O. vol. Ph.D. Mainz, 1999.
43. Forster S and Kramer E. Macromolecules 1999;32(8):2783-2785.
44. Geng Y, Discher DE, Justynska J, and Schlaad H. Angewandte Chemie 2006;118(45):7740-7743.
45. Pawar PV, Gohil SV, Jain JP, and Kumar N. Polymer Chemistry 2013;4(11):3160-3176.
46. Schillén K, Bryskhe K, and Mel'nikova YS. Macromolecules 1999;32(20):6885-6888.
47. Kabanov AV, Batrakova EV, Meliknubarov NS, Fedoseev NA, Dorodnich TY, Alakhov VY, Chekhonin VP, Nazarova IR, and
Kabanov VA. Journal of Controlled Release 1992;22(2):141-157.
48. Foster T, Dorfman KD, and Davis HT. Langmuir 2010;26(12):9666-9672.
49. Li F, de Haan LHJ, Marcelis ATM, Leermakers FAM, Stuart MAC, and Sudholter EJR. Soft Matter 2009;5(20):4042-4046.
50. Bryskhe K, Jansson J, Topgaard D, Schillén K, and Olsson U. The Journal of Physical Chemistry B 2004;108(28):9710-9719.
51. Su YL, Wang J, and Liu HZ. Macromolecules 2002;35(16):6426-6431.
52. Wanka G, Hoffmann H, and Ulbricht W. Macromolecules 1994;27(15):4145-4159.
53. Glatter O, Scherf G, Schillen K, and Brown W. Macromolecules 1994;27(21):6046-6054.
54. Hvidt S, Jorgensen EB, Brown W, and Schillen K. Journal of Physical Chemistry 1994;98(47):12320-12328.
55. Kwon JW, Han YK, Lee WJ, Cho CS, Paik SJ, Cho DI, Lee JH, and Wee WR. Journal of Cataract & Refractive Surgery
2005;31(3):607-613.
56. Chiappetta DA and Sosnik A. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2007;66(3):303-317.
57. International Journal of Toxicology 2008;27(2 suppl):93-128.
58. Grindel JM, Jaworski T, Piraner O, Emanuele RM, and Balasubramanian M. Journal of Pharmaceutical Sciences
2002;91(9):1936-1947.
59. Pec EA, Wout ZG, and Johnston TP. Journal of Pharmaceutical Sciences 1992;81(7):626-630.
60. Li F, Ketelaar T, Marcelis ATM, Leermakers FAM, Cohen Stuart MA, and Sudhölter EJR. Macromolecules 2006;40(2):329-333.
61. Lee J-M, Bermudez H, Discher BM, Sheehan MA, and Won YY. Biotechnol. Bioeng. 2001;73:135.
62. Dimova R, Seifert U, Pouligny B, Forster S, and Dobereiner HG. Eur. Phys. J. E Soft Matter 2002;7:241.
63. Lorenceau E, Utada AS, Link DR, Cristobal G, Joanicot M, and Weitz DA. Langmuir 2005;21(20):9183-9186.
64. Beaune G, Dubertret B, Clément O, Vayssettes C, Cabuil V, and Ménager C. Angewandte Chemie 2007;119(28):5517-5520.
65. Hessel V, Löwe H, and Schönfeld F. Chemical Engineering Science 2005;60(8–9):2479-2501.
66. Falk L and Commenge JM. Chemical Engineering Science 2010;65(1):405-411.
8. Literatur
154
67. Anderson NG. Organic Process Research & Development 2012;16(5):852-869.
68. Ehrfeld W, Hessel V, and Löwe H. Microreactors: New Technology for Modern Chemistry 1ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2000.
69. Wirth T. Microreactors in Organic Synthesis and Catalysis, 1 ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2008.
70. Bayer T and Himmler K. Chemical Engineering & Technology 2005;28(3):285-289.
71. Hessel V, Hardt S, Löwe H, Müller A, and Kolb G. Chemical Micro Process Engineering 1ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2005.
72. Yube K and Mae K. Chemical Engineering & Technology 2005;28(3):331-336.
73. Jähnisch K, Baerns M, Hessel V, Ehrfeld W, Haverkamp V, Löwe H, Wille C, and Guber A. Journal of Fluorine Chemistry
2000;105(1):117-128.
74. Ehrich H, Linke D, Morgenschweis K, Baerns M, and hnisch K. CHIMIA International Journal for Chemistry 2002;56(11):647-
653.
75. Löb P, Löwe H, and Hessel V. Journal of Fluorine Chemistry 2004;125(11):1677-1694.
76. Ziegenbalg D, Kompter C, Schönfeld F, and Kralisch D. Evaluation of different micromixers by CFD simulations for the anionic
polymerisation of styrene. Green Processing and Synthesis, vol. 1, 2012. pp. 211.
77. Nagaki A, Kawamura K, Suga S, Ando T, Sawamoto M, and Yoshida J-i. Journal of the American Chemical Society
2004;126(45):14702-14703.
78. Wu T, Mei Y, Cabral JT, Xu C, and Beers KL. Journal of the American Chemical Society 2004;126(32):9880-9881.
79. Usutani H, Tomida Y, Nagaki A, Okamoto H, Nokami T, and Yoshida J-i. Journal of the American Chemical Society
2007;129(11):3046-3047.
80. Shum HC, Kim J-W, and Weitz DA. Journal of the American Chemical Society 2008;130(29):9543-9549.
81. Thiele J, Steinhauser D, Pfohl T, and Förster S. Langmuir 2010;26(9):6860-6863.
82. Hardt S and Schönfeld F. Aiche Journal 2003;49(3):578-584.
83. Hessel V, Hardt S, Löwe H, and Schönfeld F. Aiche Journal 2003;49(3):566-577.
84. Löb P, Drese KS, Hessel V, Hardt S, Hofmann C, Löwe H, Schenk R, Schönfeld F, and Werner B. Chemical Engineering &
Technology 2004;27(3):340-345.
85. Bošković D. Experimentelle Bestimmung und Modellierung des Verweilzeitverhaltens mikrofluidischer Strukturen. Ilmenau:
Technischen Universität Ilmenau, 2010.
86. Schönfeld F, Hessel V, and Hofmann C. Lab on a Chip 2004;4(1):65-69.
87. IMM. The Catalogue. In: Mainz IfM, editor., 2006.
88. Li S, Byrne B, Welsh J, and Palmer AF. Biotechnology Progress 2007;23(1):278-285.
89. Mueller W. Hydrophobe und hydrophile Beladung polymerer Vesikel. Physical Chemistry, vol. PhD. Mainz: Johannes
Gutenberg-Universität, 2009. pp. 147.
90. Rogach AL. Semiconductor Nanocrystal Quantum Dots: Springer-Verlag, 2008.
91. Klein DL, Roth R, Lim AKL, Alivisatos AP, and McEuen PL. Nature 1997;389(6652):699-701.
92. Klimov VI. Nanocrystal quantum dots: CRC Press Boca Raton, 2010.
93. Sperling RA and Parak WJ. Therapeutic Innovation & Regulatory Science 2013;47(1):1333-1383.
94. Reiss P, Protiere M, and Li L. Small 2009;5(2):154-168.
95. Hines MA and Guyot-Sionnest P. The Journal of Physical Chemistry 1996;100(2):468-471.
96. Xie R, Kolb U, Li J, Basché T, and Mews A. Journal of the American Chemical Society 2005;127(20):7480-7488.
97. Corot C, Robert P, Idee JM, and Port M. Advanced Drug Delivery Reviews 2006;58(14):1471-1504.
98. Gupta AK and Gupta M. Biomaterials 2005;26(18):3995-4021.
99. Laurent S, Forge D, Port M, Roch A, Robic C, Vander Elst L, and Muller RN. Chemical Reviews 2008;108(6):2064-2110.
100. Odenbach S. Handbook of Magnetic Materials. Amsterdam: Elsevier, 2006
101. http://www.supermagnete.de.
102. Vogel H. Gerthsen Physik, 1999.
103. Company F. Vitrobot Guide. vol. 6.0.
104. Bantle S, Schmidt M, and Burchard W. Macromolecules 1982;15(6):1604-1609.
105. Tieke. Makromolekulare Chemie: Eine Einführung, 2 ed.: Wiley-VCH, 2005.
106. Schärtl W. Light Scattering from Polymer Solutions and Nanoparticle Dispersions: Springer, 2007.
107. Bantle S, Schmidt M, and Burchard W. Macromolecules 2002;15(6):1604-1609.
108. Schmidt M and Burchard W. Macrmolecules 1981;14(1):210.
109. Basislexikon Chemie. Römpp. Thieme, 1998.
110. Petzke F. Praktikums-Skript Spektroskopie. Mainz: Physikalische Chemie, 2003.
111. Discher DE and Eisenberg A. Science 2002;297(5583):967-973.
112. Thiermann R, Mueller W, Montesinos-Castellanos A, Metzke D, Lob P, Hessel V, and Maskos M. Polymer 2012;53(11):2205-
2210.
113. Thiermann. Physikalische Chemie, vol. Diplom. Mainz: Johannes Gutenberg Universtität Mainz, 2009.
114. Kelley EG, Smart TP, Jackson AJ, Sullivan MO, and Epps TH. Soft Matter 2011;7(15):7094-7102.
115. Müller W. Diplomarbeit. vol. Diploma. Mainz: Johannes-Gutenberg Universität, 2006.
116. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, FL: CRC Press, 2005.
117. Glew DN and Watts H. Canadian Journal of Chemistry 1973;51(12):1933-1940.
