title: New non-ionic polymers with UCST-type and complex phase transition behavior
Creators: name: Florian, Käfer
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2019
Subjects: subject: Polymersynthese
subject: thermoresponsive Polymere
subject: 500
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description: Sowohl die Forschung als auch die Anwendung von thermoresponsiven Polymeren, hat 
etwa in den letzten 10 Jahren erhebliches Interesse erfahren. So werden heute 
thermoresponsive Polymere etwa für Anwendungen in der Medizin, Biotechnologie und 
allgemein zur Herstellung funktioneller Materialien verwendet. Grundsätzlich werden 
thermoresponsive Polymere in zwei Klassen unterteilt: (1) Polymere welche sich oberhalb 
einer kritischen Temperatur lösen, also eine (engl. upper critical solution temperature) 
kurz UCST zeigen, (2) Polymere welche sich unterhalb einer bestimmten Temperatur 
lösen (engl. lower critical solution temperature) kurz LCST zeigen. Auch Polymere welche 
beides, eine UCST als auch eine LCST aufweisen, sind bekannt und erfreuen sich 
zunehmender Aufmerksamkeit in Forschung Entwicklung. 
Im Rahmen dieser Dissertation wurde auf die Synthese neuartiger thermoresponsiver 
Copolymere und deren mögliche Anwendungen als „smarte“ Matrix eingegangen. Hierbei 
wurde detailliert auf folgende Themengebiet eingegangen. 
- Einfluss hydrophiler / hydrophober Gruppen (Comonomere) auf das 
thermoresponsive Verhalten
- Temperatur abhängige Änderung der Polymer Morphologie in wässriger 
Umgebung
- Temperatur induzierte Freisetzung von Wirkstoffen / Nanopartikeln
- Darstellung eines doppelt thermoresponsiven Hydrogels mit interpenetrierter 
Netzwerkstruktur (IPN)
Im Einleitungsteil dieser Arbeit wird auf die Grundlagen thermoresponsiver Polymere 
eingegangen und ein Überblick über die in der Literatur bereits bekannten 
thermoresponsiven Polymere gegeben. Hier wurde spezielle auf nicht ionische UCST 
Polymere und Polymere welche UCST und LCST in einem aufweisen, eingegangen. 
Nachfolgende wird ein kurzer Überblick über Methoden der kontrollierten radikalischen 
Polymerisation dargelegt, welche zur Synthese von Copolymeren im Rahmen dieser 
Arbeit angewendet wurde.Im zweiten Teil dieser Dissertation werden die Ergebnisse der bearbeiteten und 
veröffentlichten Teilprojekte zusammenfassend dargestellt und deren Zusammenhang 
erläutert. 
Die erste Publikation behandelt die Synthese eines neuen doppelt thermoresponsiven 
Polyethylenglycol-b-Poly(acrylamid-co-acrylnitril) (PEG-b-P(AAm-AN) Blockcopolymers. 
Ausgehend vom bereits bekannten P(AAm-AN) UCST Copolymer, konnte das UCST 
Phasenübergangsverhalten durch Anbringen eines kurzen hydrophilen PEG Blocks, in 
ein doppelt thermoresponsives Verhalten, mit einer UCST und LCST, überführt werden. 
Hierfür wurde ein PEG-Makroinitiator zur Initiierung der freien radikalischen 
Polymerisation von Acrylamid mit Acrylnitril verwendet. Dabei zeigt sich, dass das doppelt 
thermoresponsive Verhalten von der Länge des PEG-Blocks, dem Acrylamid/Acrylnitril 
Verhältnis im Copolymer, als auch von der Konzentration abhängig ist. 
Temperaturabhängige Dynamische Lichtstreuexperimente (DLS) und 
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Messungen konnten hierbei, die für das 
doppelt thermoresponsive Verhalten verantwortliche Änderung der Polymermorpholgie 
von Mizellen, zu Aggregaten und wieder zu Mizellen, veranschaulichen.
In der zweiten Publikation konnte der Einfluss eines hydrophoben Comonomers auf das 
thermoresponsive Phasenverhalten von Poly(N-acryloylglycinamid) gezeigt werden. 
Unter Verwendung der Reversiblen Additions-Fragmentierung Transfer (RAFT) 
Polymerisation konnten blockartige P(NAGA-AN) Copolymere synthetisiert werden. Im 
Gegensatz zu PNAGA weisen diese Copolymere eine enge Kühl-/Heizhysterese in 
Wasser auf, die in Abhängigkeit vom AN-Gehalt über einen Temperaturbereich von &lt; 5-
40 °C eingestellt werden konnte. Wie bereits bei der ersten Arbeit konnte auch hier die 
temperaturabhängige Änderung der Polymermorpholgie mittels TEM und DLS 
Experimenten veranschaulicht werden. Interessanterweise zeigten die Copolymere keine 
Abhängigkeit des Trübungspunkt von der Konzentration, was für UCST Polymere selten 
beobachtet werden konnte. 
Auf Grundlage der ersten beiden Publikation, konnte in der dritten Publikation mittels freier 
radikalischer Polymerisation unter der Verwendung eines Makroinitiators ein PEG-b-
P(NAGA-AN) Blockcopolymer synthetisiert werden. Aufgrund der Mikrostruktur des PEG-
b-P(NAGA-AN)-Copolymers bildete dieses Mizellen, welche erfolgreich für die 
Verkapselung des Krebsmedikaments Doxorubicin (DOX) und eines photothermischen 
Stoffes verwendet werden konnten. Einstrahlung von nahinfrarotem Licht führte zur 
Auflösung der Mizellen, was die räumlich-zeitliche kontrollierte Freisetzung von DOX 
ermöglichte und den Ausfluss in arzneimittelresistente MCF-7/DOX-Zellen verhinderte. 
So wurde eine effektive Vorbeugung des Wachstums von arzneimittelresistenten 
Tumorzellen durch in-vivo Studien nachgewiesen.
In der vierten Publikation, wurde der Einfluss verschiedener N-substituierter 
acrylamidbasierender Comonomere, auf das thermoresponsive Verhalten von 
Poly(methacrylamid) (PMAAm), welches selbst eine UCST mit breiter Kühl-/Heizhysterese zeigt, untersucht. Die mittels freier radikalischer Polymerisation (FRP) 
synthetisierten Copolymere aus MAAm und N-cyclohexylacrylamid bzw. N-tert-
butylacrylamid zeigten ein seltenes Phänomen, bei dem die Art des thermoresponsiven 
Verhaltens in Abhängigkeit der Copolymerzusammensetzung, von einer UCST zu einer 
LCST, mit Bereichen der vollständige Löslich-bzw. Unlöslichkeit, geändert werden konnte. 
Die fünfte zur Veröffentlichung eingereichte Arbeit, zeigt die Synthese und Anwendung 
eines Terpolymers aus MAAm, N-tert-Butylacrylamid und des durch UV-Licht 
vernetzbaren 4-Acryloylbenzophenon. Dieses Terpolymer wurde mittels FRP dargestellt 
und zeigte ein LCST Verhalten. Elektrospinnen des Terpolymers ermöglichte die 
Fabrikation einer Nanofasermatrix die durch Temperaturerhöhung eine starke Kontraktion 
aufwies, was zur kontrollierten Freisetzung von Nanopartikeln genutzt werden konnte. 
Im sechsten und letzten Manuskript wird die Herstellung eines doppelt thermoresponsiven, 
interpenetrierenden Polymernetzwerks (IPN) PNAGA/PNIPAAm Hydrogels aufgezeigt. 
Die Synthese erfolgte hierbei in zwei unabhängig aufeinander folgenden, UV-Licht 
induzierten Polymerisationen von NAGA bzw. NIPAAm. Die mechanischen Eigenschaften 
der IPNs zeigten eine deutliche Abhängigkeit von der Temperatur und vom PNIPAAm 
Anteil. So konnte gezeigt werden, dass bei höheren Temperaturen beziehungsweise bei 
einem abnehmenden NIPAAm-Anteil, bessere mechanische Eigenschaften der IPN 
erhalten werden.
Im Ausblick dieser Arbeit wird auf die Synthese und mögliche Anwendung neuartiger 
UCST bzw. doppelt thermoresponsiver Polymer eingegangen. Hier steht vor allem die 
Verwendung neuer, auf Acrylamid basierenden N- und α- substituierten Comonomeren 
im Fokus.