Funktionalisierte Nanostrukturierte Materialien: Synthetische Aspekte und Eigenschaftsbewertung (2011)

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.