title: Synthese und Charakterisierung von Mikrokapseln und Nanopartikeln, die durch das Layer-by-Layer-Verfahren hergestellt wurden
title: Synthesis and characterization of particles fabricated by layer-by-layer assembly
Creators: name: Yu, Xiang
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Nanopartikel
Physik
Layer-by-Layer Assembly
Nanoparticle
Layer-by-Layer-Verfahren

description: Das Thema der vorliegenden
      Dissertation ist die Synthese und Charakterisierung von
      Mikrokapseln und Nanopartikeln, welche durch das
      Layer-by-Layer-Verfahren hergestellt wurden. Dieses Verfahren
      basiert auf der Adsorption von Schichten positiv und negativ
      geladener Polymere, ähnlich der Schichtstruktur einer
      Zwiebel. Die Synthesen von Polyelektrolytmehrfachschichten
      wurden durch elektrostatische Anziehung auf
      Kalziumkarbonat-Mikropartikeln und Gold-Nanopartikeln
      durchgeführt. Aufgrund des Größenunterschieds der Partikel
      wurden zwei verschiedene Strategien für die Beschichtung
      gewählt. Das erste Ziel war die Beschichtung von sphärischen
      Kalziumkarbonatpartikeln mit einem Durchmesser von 1-6 μm mit
      unterschiedlich geladenen Polyelektrolyten. Dabei wurden
      Polyelektrolyte mit verschiedenen Eigenschaften benutzt, um
      die Kapseln herzustellen. Das System biologisch abbaubarer
      Kapseln bestand aus Dextransulfat und Poly-Arginin
      (DEXS/PARG), während die nichtabbaubaren Kapseln aus
      Poly(Natrium-4-Styrolsulfat) und Poly-Allylamin-Hydrochlorid
      (PAH/PSS) bestand. Weiterhin wurden Kapseln mit einer
      Silicahülle hergestellt, die aufgrund ihrer
      Ladungsneutralität und Bioabbaubarkeit ausgewählt und mit den
      anderen Kapselsorten verglichen wurde. Für das Beladen der
      Partikel wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt: i) die
      Co-Precipitation-Methode und ii) das Post-Loading. Die
      Effizienz der Kapselbeladung wurde untersucht. Desweiteren
      wurden multifunktionelle Kapseln produziert, indem
      magnetische Nanopartikel oder Gold-Nanopartikel in die Hülle
      der Kapseln eingebettet wurden. Die Funktionalisierung wurde
      dabei wieder durch elektrostatische Anziehung zwischen
      Nanopartikeln und Polyelektrolyten bedingt. Verschiedene
      Anwendungen dieses Systems für Transportaufgaben und
      Detektion wurden untersucht. i) Polyelektrolytkapseln mit und
      ohne magnetische Nanopartikel in der Hülle wurden per
      Post-Loading mit dem pH-Indikator Seminaphtarodafluor (SNARF)
      beladen. Der Aufbau dieser Kapseln war
      (PSS/PAH)2(Magnetnanopartikel)(PSS/PAH)2. Die Ergebnisse
      zeigen, dass das eingekapselte ionensensitive Fluorophor ein
      Ionensensor mit kurzer Reaktionszeit (500 ms im Fall von
      SNARF) ist, der desweiteren im Magnetfeld bewegt werden kann.
      ii) Kubische, magnetische Nanopartikel wurden in die Hülle
      der Kapseln eingebettet, wobei Poly(acrylamidco-
      diallyldimethylammoniumchlorid) P(Am-DDA) anstelle von PAH
      verwendet wurde, da die große Ladung von P(Am-DDA) zur
      besseren Anlagerung der Nanopartikel führte. Die Struktur der
      Hülle war (PSS/PAH)- (PSS/P(Am-DDA)-
      Magnetnanopartikel(PAH)(PSS/PAH)2. Da magnetische
      Nanopartikel durch Anregung mit einem alternierenden
      Magnetfeld Hitze erzeugen, können die Kapseln auf diese Weise
      geöffnet werden. iii) Bioabbaubare und mit Licht anregbare
      Kapseln mit einer Hülle aus Polyelektrolyten und Silica
      wurden IV hergestellt, wobei optothermische Goldnanopartikel
      in die Hülle eingearbeitet wurden. Die Struktur der Kapseln
      war (1) mPEG-SH@SiO2@PARG, (2) (PSS/
      PAH)@AuNP@mPEG-SH-@SiO2@PARG, (3) (DEXS/PARG)5, (4) (DEXS/
      PARG)3AuNP(DEXS/PARG)2, (5) (PSS/PAH)5, and (6)
      (PSS/PAH)3AuNP(PSS/ PAH)2. Zusätzlich wurde die Zytotoxizität
      dieser Kapseln untersucht. Weitere Charakterisierungsmethoden
      wie TEM und Zeta-Potential wurden ebenso angewandt. Die
      Gold-Nanopartikel wurden mittels des
      Layer-by-Layer-Verfahrens mit verschiedenen
      Polyelektrolythüllen beschichtet. Jede Schicht trug 0,5 bis 2
      nm Dicke zur Hülle bei, abhängig von den äußeren Bedingungen
      der Synthese. Indem verschiedene Anzahlen von
      Polyelektrolytschichten adsorbiert wurden, wurden Hüllen
      verschiedener Dicke hergestellt. Abhängig von der äußeren
      Schicht wurden sowohl positive als auch negative Nanopartikel
      hergestellt. Damit konnte die elektrostatische Bindung von
      unterschiedlich geladenen Nanopartikeln untersucht werden.
      Unter Verwendung von stark verdünnten Lösungen von positiven
      und negativen Partikeln wurden hauptsächlich Dimere aus
      positiven und negativen Partikeln gebildet. Ergänzend zu
      diesen zwei Hauptaspekten der Arbeit können die verschiedenen
      Charakterisierungsmethoden, die bei beiden Sorten Partikeln
      (Kalziumkarbonatund Goldpartikel) zur Anwendung kamen,
      weitere Informationen über derartige Layer-by-Layer-Synthesen
      liefern.
description: The subject of this doctoral
      dissertation is the synthesis and characterization of
      microcapsules and nanoparticles fabricated by Layer-by-Layer
      (LbL) assembly. The technique is based on the
      electrostatically-driven alternated adsorption of cationic
      and anionic charged polymers in a layer-by-layer fashion,
      similar to the layer structure of an onion. During these
      syntheses polyelectrolyte multilayer shells were formed via
      electrostatic interactions on calcium carbonate (CaCO3)
      microparticles and gold (Au) nanoparticles (NPs). Due to
      differences in the size range between microcapsules and
      nanoparticles, two different strategies were used for the
      self-assembly of polyelectrolytes. This work first aimed to
      investigate the LbL assembly of polyelectrolytes oppositely
      charged on calcium carbonate spherical particles, which size
      diameter ranges from 1 to 6 μm. Polyelectrolytes with
      different nature property have been employed to produce
      polyelectrolyte multilayer (PEM) capsules: i)
      sulfate/polyarginine (DEXS/PARG) for biodegradable shell
      formation and ii) poly(sodium-
      4-styrenesulfonate)/poly(allylamine hydrochloride) (PSS/PAH)
      for non-biodegradable shell formation. In addition, one kind
      of silica (SiO2) capsules have been fabricated and their
      properties such as degradability and release of molecules
      have been compared with polyelectrolyte capsules. In order to
      encapsulate different molecular cargo inside the capsules
      (with silica or polyelectrolyte shells), two main procedures
      have been employed: i) co-precipitation (or pre-loading) and
      ii) post-loading. The encapsulation efficiency of both
      procedures has been investigated. Moreover, multifunctional
      capsules have been produced by embedding magnetic NPs or
      plasmonic NPs into the hull of the capsule. The
      functionalization was performed using again electrostatic
      interactions as the major driving force in the assembly
      between nanoparticles and polyelectrolytes. Thus, some
      applications of these carrier systems for delivery and
      sensing were investigated. Firstly, polyelectrolyte capsules
      post-loaded with the pH indicator seminaphtharhodafluor
      (SNARF) in their cavity with and without polymer coated iron
      oxide NPs in their hull were synthesized. The composition of
      the walls of these magnetic PEM capsules was (PSS/PAH)2
      magnetic NPs (PSS/PAH)2. The results indicated that
      encapsulated ion-sensitive fluorophores can be used to detect
      fast changes of pH and the capsules can be manipulated (i.e.,
      change the location) in microfluidic devices using magnetic
      fields. Finally, non-biodegradable capsules loaded with cubic
      magnetic NPs were produced to study their opening upon the
      application of an alternating magnetic field. The polymer
      poly(acrylamide-co-diallyldimethyl- ammonium chloride)
      (P(Am-DDA)) which is strongly positively charged was added
      within the polyelectrolyte shell to enhance the attachment
      and increase VI the concentration of magnetic NPs. The final
      architecture of the LbL shell was (PSS/PAH)(PSS/P(Am-DDA)
      magnetic NPs (PAH)(PSS/PAH)2. Magnetic NPs can be heated by
      the application of an alternating magnetic field. This fact
      was used to disrupt and open PEM capsules containing magnetic
      nanoparticles in the shell. The capsules released then their
      molecular cargo loaded in their interior.