title: Funktionalisierte Nanostrukturierte Materialien: Synthetische Aspekte und Eigenschaftsbewertung
title: Functional Nanostructured Materials: Synthetic Aspects and Properties Evaluation
title: Functional Nanostructured Materials: Synthetic Aspects and Properties Evaluation
Creators: name: Chen, Fei
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Nanostrukturiertes Material,Elektrospinnen
electrospinning
Chemie
nanostructured materials

description: Diese Dissertation hat die Synthese
      funktioneller, nanostrukturierter Materialien zum Gegenstand.
      Dies beinhaltet Stimuli-responsive Nanomatten-Komposite,
      Nanopartikel und bioabbaubare Polyesternanofasern, welche
      neuartige Eigenschaften wie eine kontrollierte
      Wasserabsorption bzw. –desorption aufweisen, über eine
      schnelle Temperatur-Responsivität verfügen und auf ihren
      potentiellen Einsatz in biomedizinischen sowie
      mikroelektronischen Anwendungen hin untersucht wurden.
      Photoresponsive und superabsorbierende Nanomatten-Komposite
      wurden durch Kombination hydrophiler Polyurethan-Nanofasern
      mit vernetzten, photoresponsiven und superabsorbierenden
      Partikeln hergestellt. Die Eigenschaften der Nanokomposite
      wiesen dabei eine hohe Abhängigkeit vom Anteil der
      enthaltenen photochromen Superabsorberpartikel auf. Die
      Komposit-Nanomatten verfügen über eine
      Wasseraufnahmekapazität von 40 g/g und erreichen ihr
      Absorptionsmaximum bereits innerhalb von 2 Minuten, was sie
      gegenüber konventionellen Superabsorbern auszeichnet, die
      dazu üblicherweise länger benötigen. Das elastische
      Polyurethan dient in diesem Fall als Matrix zur Fixierung der
      Partikel und verleiht dem Nanokomposit darüber hinaus gute
      mechanische Eigenschaften. Dieses Komposit-Material bietet
      sich zum Einsatz im Rahmen einer kontrollierten
      Wirkstofffreisetzung an oder auch zur Anwendung im Bereich
      der Sensorik. Als weiteres Stimuli-responsives System wurden
      antibakterielle, stabile, kationische, segmentierte
      Urethan-Blockcopolymer-Nanopartikel mit einer oberen
      kritischen Lösungstemperatur (upper critical solution
      temperature, UCST) durch eine zweistufige Polykondensation
      von 2,4-Toluoldiisocyanat, Diethanol-N-methylamin und
      Polyethylenglycol (PEG) hergestellt. Aus dem Polymer wurde
      durch einfaches Erhitzen auf 90 °C und anschließendes
      Abkühlen auf Raumtemperatur eine stabile Dispersion erhalten.
      Die Einführung von PEG-Segmenten wirkte sich positiv auf die
      Ausbildung der Dispersion aus ohne dabei die antibakterielle
      Aktivität einzubüßen; zudem lassen sich Partikelgröße sowie
      UCST durch den PEG-Gehalt und die Konzentration der
      Dispersion einstellen. Auf diesem Weg wurde eine neuartige,
      antibakterielle sowie thermoresponsive Dispersion erhalten,
      welche ein großes Potential zur Anwendung im Bereich der
      Wirkstoffverkapselung und kontrollierten Freisetzung zu
      verschiedenen therapeutischen Zwecken birgt. Der Arbeit an
      funktionellen, Stimuli-responsiven, nanostrukturierten
      Materialien folgt die Einführung von Bioabbaubarkeit in den
      Kapiteln 3 und 4 als weiterer Funktionalität. Kapitel 3
      behandelt die Synthese schnell abbaubarer, zweifach
      ungeradzahliger (odd-odd) Polyester sowie deren
      Abbauverhalten mit und ohne Einsatz von Enzymen. Die
      odd-odd-Struktur der Kettenrückgrats führt dazu, dass der
      5,7-Polyester eine relativ geringe Kristallinität aufweist
      und dadurch im Vergleich zu kommerziellem Poly--caprolacton
      (PCL) über eine schnellere Abbaurate verfügt. Durch
      Rasterelektonenmikroskopie sowie optische
      Polarisationsmikroskopie wurde ermittelt, dass der Abbau
      dabei sowohl in den amorphen Domänen als auch an der
      Oberfläche beginnt, was mit einer Veränderung der
      Oberflächenmorphologie einhergeht. Damit wurde der Klasse der
      bioabbaubaren Polyester ein weiterer Vertreter hinzugefügt,
      der über ein eigenes Profil zum Einsatz in mannigfaltigen
      biomedizinischen Anwendungen verfügt. Basierend darauf wurden
      Polyhexamethylenadipat-Polyethylenoxid (PHA-b-PEO)
      Blockcopolymere synthetisiert und zu wässrigen Suspensionen
      von hohem Feststoffgehalt weiterverarbeitet. Diese
      Suspensionen wurden mit einem geringen Anteil an
      hochmolekularem Polyethylenoxid versetzt und zu den
      entsprechenden Nanofasern elektroversponnen; nach Extraktion
      mit Wasser wurden stabile PHA-b-PEO Nanofasern erhalten.
      Dieses Konzept des Elektrospinnens von Biopolymeren aus
      wässrigen Suspensionen mit Verzicht auf
      gesundheitsschädliche, organische Lösungsmittel wird als
      „Grünes Elektrospinnen“ (green electrospinning) nahe gelegt
      und bietet neuartige Perspektiven für Anwendungen in den
      Bereichen Medizin, Pharmazie und Landwirtschaft. Der letzte
      Teil dieser Dissertation beschäftig sich damit, die
      Charakteristika elektrogesponnener Nanofasern, wie zum
      Beispiel ein hohes Oberfläche zu Volumen-Verhältnis,
      miteinander verbundene Poren und eine raue
      Oberflächenstruktur, mit denen fluorierter Polyimide zu
      verknüpfen. Dazu wurden diese durch Elektrospinnen zu
      Nanomatten verarbeitet, welche über eine niedrige
      Dielektrizitätskonstante, eine hohe thermo-oxidative
      Stabilität sowie Hydrophobizität verfügen. Neben ihrer
      Eignung für die Filter- und Kompositindustrie könnten diese
      von hohem Nutzen als Isolator in
      Verbundzwischenschicht-Dielektrika sein.
description: In this dissertation, the
      synthesis of functional nanostructured materials including
      stimuli responsive nanomat composites, nanoparticles and
      biodegradable polyester nanofibers are presented. Further the
      novel properties such as controlled water
      absorption/desorption, fast thermo responsive properties and
      potential applications in biomedical and microelectronic
      fields were investigated. In chapter 4.1, photoresponsive
      superabsorbent nanomat composites were prepared by
      combination of hydrophilic polyurethane nanofibers with
      crosslinked photoresponsive superabsorbent particles, the
      properties of nanocomposites were highly dependent upon the
      amount of the superabsorbent photochromic particles added.
      The composite nanomats had a high water absorption capacity
      of 40 g/g and reached to the maximum absorption in two
      minutes which was faster than the conventional
      superabsorbers. The elastic polyurethane served as a
      substrate to capture most of the particles and provided good
      mechanical properties for the nanocomposties. Such
      nanocomposites could be of utility for drug release and
      sensor applications. Also stimulus responsive antibacterial
      cationic segmented block copolyurethane nanoparticles with
      upper critical solution temperature (UCST) behavior was
      synthesized in chapter 4.2 by polyaddition of 2,4-toluene
      diisocyanate, diethanol-N-methylamine and polyethylene glycol
      (PEG) in two steps. Stable dispersions were prepared by
      facile heating up to 90 °C and cooled down to room
      temperature. The introduction of PEG segments was found to
      favor the formation of stable dispersion and keep the
      antibacterial activity, the particle size and UCST could be
      adjusted by the PEG contents and concentration of the
      dispersions. Such novel antibacterial dispersion had a big
      potential to be used for drug encapsulation and controlled
      release for various therapeutic application. Followed the
      previous research on functional stimuli responsive
      nanostructured materials, biodegradability functionality was
      introduced and investigated in the following two chapters.
      Chapter 4.3 describes a fast degrading odd-odd aliphatic
      polyester synthesis and degradation behavior with and without
      enzyme. Due to the odd-odd structure of the main chain, the
      polyester-5,7 had a relative low crystallinity and possessed
      a faster degradation rate compared to commercial
      poly(ε-caprolactone) (PCL). The degradation was started in
      the amorphous region and on the surface with change in
      surface morphology which was confirmed by SEM and optical
      polarized microscopy. It would be an addition to the class of
      biodegradable aliphatic polyesters having its own profile for
      different biomedical applications. Based on this study,
      poly(hexamethylene adipate)-PEO (PHA-b-PEO) block copolymers
      were synthesized and processed to aqueous suspensions with
      high solid contents. This suspension was mixed with a small
      amount of high molecular weight PEO and electrospun into
      corresponding nanofibers. The stable nanofibers of PHA-b-PEO
      were obtained after extraction by water. Such concepts of
      utilizing electrospinning of biopolymers from aqueous
      suspensions avoiding harmful organic solvents are suggested
      to be “green electrospinning” and offer novel perspectives
      for application in actual medicine, pharmacy and agriculture.
      In the last part of this dissertation, utilizing the
      characteristics of electrospun nanofibers (e.g. high surface
      to volume ratio and rough surface structures), fluorinated
      polyimides were processed into nanomats by electrospinning
      techniques. The corresponding nanofibers have a low
      dielectric constant, high thermo-oxidative stability and
      hydrophobicity which could be of high use as insulating
      material in interlayer dielectrics besides their use in
      filter and composite industry.