Das Ziel der Arbeit bestand in der Präparation von multifunktionellen phasenseparierten Blockcopolymerfilmen, die an der Oberfläche über polymeranaloge Reaktionen modifiziert werden können. Dafür wurden zunächst phasenseparierte Blockcopolymere über RAFT-Polymerisation synthetisiert, in die sowohl funktionelle als auch Vernetzergruppen integriert wurden. Als funktionelle Monomere kamen dabei Propargylmethacrylat, Propargyloxystyrol, Vinylbenzylchlorid und Pentafluorostyrol zum Einsatz. Die Vernetzergruppen wurden über die Monomere Vinylpyridin, Glycidylmethacrylat, 4-Benzoyl-3-hydroxyphenylmethacrylat und Dimethylmaleinimidobutylmethacrylat eingebaut. Die erhaltenen Polymere wurden hinsichtlich ihrer Molmasse und ihrer thermischen Eigenschaften mit GPC, NMR, DSC und TGA untersucht. Des Weiteren erfolgten polymeranaloge Reaktionen, wie die kupferkatalysierte Cycloaddition von Aziden an Alkinen, eine cäsiumvermittelte Veresterung der Vinylbenzylchloridgruppe mit Liponsäure als auch eine Substitution am Pentafluorostyrol mit Thiolen, an den synthetisierten Blockcopolymeren. Dünne Filme dieser Blockcopolymere wurden mit Rasterkraftmikroskopie untersucht und dabei teilweise Phasenseparation erhalten. Die Filme wurden darauf chemisch, thermisch als auch photochemisch vernetzt, um die erhaltenen Strukturen zu fixieren. Dabei konnte ein vollständiger Erhalt der Phasenstrukturen nicht erreicht werden. Allerdings zeigten die thermischen als auch photochemischen Vernetzungen die vielversprechendsten Ergebnisse.

Orientador: Maria do Carmo Gonçalves / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T19:34:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DeFarias_MarceloAlexandre_D.pdf: 6813625 bytes, checksum: 734f14c74ec0690013d0549463dd8b09 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O principal objetivo desta tese consiste na síntese de nanopartículas de prata e de sílica e sua posterior modificação de superfície. Visando atribuir um caráter hidrofóbico às nanopartículas, sintetizou-se o copolímero em bloco de poliestireno-bloco-poli(N-vinil-2-pirrolidona) (PS-b-PVP), via técnicas de polimerização radicalar controlada. A metodologia utilizada produziu copolímeros de PS-b-PVP com baixa polidispersidade e massa molar controlada, capazes de estabilizar a emulsão de água em clorofórmio. Nanopartículas de prata (AgNP) produzidas à temperatura ambiente exibiram diâmetros médios de 8 e 11 nm, utilizando PVP ou PS-b-PVP como agentes estabilizantes, respectivamente. Nanopartículas de sílica (SiO2NP) foram sintetizadas pelo método de Stöber e apresentaram diâmetros aproximados de 40, 80 e 150 nm. Também foram utilizadas SiO2NP comerciais, que apresentaram duas populações com diâmetros médios de 12 e 25 nm, além de aglomerados. Por este motivo, a adsorção de PVP ou de PS-b-PVP à superfície das SiO2NP só foi caracterizada adequadamente com as SiO2NP sintetizadas. Mapas elementares de carbono, obtidos por imagem espectroscópica de elétrons (ESI-TEM) de dispersões de AgNP ou SiO2NP, mostraram que ambas as nanopartículas tiveram sua superfície modificada por PVP ou PS-b-PVP. Adicionalmente, as nanopartículas foram incorporadas em matrizes de poliestireno-bloco-polibutadieno-bloco-poliestireno (SBS) para produção de nanocompósitos. Observou-se por espalhamento de raios X de baixo ângulo (SAXS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) que filmes de SBS puros apresentaram elevado grau de auto-organização da microestrutura de cilindros empacotados hexagonalmente, devido às condições de tratamento térmico e de casting utilizadas. Os nanocompósitos contendo SiO2NP apresentaram o mesmo comportamento termomecânico que a matriz de SBS, embora perturbações na microestrutura da matriz tenham sido observadas. Imagens de microscopia de força Kelvin mostraram a presença de domínios com potenciais elétricos distintos, indicando a ocorrência de uma forte interação entre o SBS e as AgNP/PS-b-PVP. Análises de DMA e TEM sugeriram que as AgNP/PS-b-PVP apresentaram maior interação com os cilindros de PS da matriz de SBS, em comparação com as AgNP/PVP. O conjunto de resultados obtidos neste trabalho indica que foi possível modificar superficialmente as nanopartículas inorgânicas empregando o copolímero PS-b-PVP / Abstract: The main objective of this thesis is the synthesis and surface modification of silver and silica nanoparticles. Aiming towards a hydrophobic character for the nanoparticles, the polystyrene-block-poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) (PS-b-PVP) amphiphilic block copolymer was synthesized by controlled radical techniques. This methodology produced PS-b-PVP block copolymers with low polydispersity and controlled molar mass, which are able to stabilize water/chloroform emulsions. Silver nanoparticles (AgNP) produced at room temperature showed 8 and 11 nm mean diameters when using PVP or PS-b-PVP, respectively. Silica nanoparticles (SiO2NP) synthesized by Stöber method showed 40, 80 and 150 nm mean diameters. Commercial SiO2NP was also used and presented two populations with mean diameters of 12 and 25 nm, as well as agglomerates. The adequate characterization of PVP or PS-b-PVP adsorption onto SiO2NP surfaces was only possible using the SiO2NP obtained by the Stöber method. Carbon maps, obtained by electron spectroscopic imaging (ESI-TEM) showed that AgNP and SiO2NP were both surface modified by PVP or PS-b-PVP. Additionally, the nanoparticles were incorporated into polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) matrices to produce nanocomposites. Small angle X ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM) showed that SBS films presented a high self-assembly degree of the hexagonally packed cylinder due to annealing and casting conditions. Similar thermal-mechanical behavior was observed for the nanocomposites containing SiO2NP in relation to pure SBS, although perturbations in the SBS microstructure had also been observed. Kelvin force microscopy (KFM) showed domains with different electrical potentials, indicating a strong interaction between SBS and AgNP/PS-b-PVP. DMA and TEM analysis suggested that AgNP/PS-b-PVP interacted preferentially with SBS matrix PS cylinders. The results obtained in this work indicate that the inorganic nanoparticle surfaces were successfully modified by the PS-b-PVP copolymer / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

Die Übertragung der amphiphilen Grundbausteine der Liposome in die Welt der Polymere führte zu Blockcopolymeren, welche sogenannte Polymersome bilden können. Die synthetische Herkunft der Polymere ermöglicht es, eine Vielzahl von verschiedenen chemischen Funktionalitäten einzubringen. Anwendungen von Polymersomen werden vor allem als Wirkstoffträgersystem oder im Bereich der synthetischen Biologie als Nanoreaktoren oder künstliche Zellorganellen ausgemacht. In vielen Fällen wird dabei eine Schaltbarkeit oder Responsivität der Vesikel gegenüber äußerer Stimuli benötigt. Als nächste Stufe der Komplexizität können die responsiven, »smarten« Polymersome innerhalb ihrer Membran quervernetzt werden, wodurch es möglich wird, den Durchmesser und die Membranpermeabilität der Vesikel reversibel hin- und herzuschalten. Diese Arbeit baut dabei auf pH-responsiven Polymersomen auf, welche durch photochemische Reaktionen vernetzt werden. Dabei soll zunächst der Frage nachgegangen werden, an welchem pH Wert genau der Übergang von kollabierten zu gequollenen Vesikeln erfolgt und wie sich dieser »kritischer pH« (pH*) verändern und einstellen lässt. Neben der Herstellung von maßgeschneiderten Polymersomen ist aber auch die detaillierte Charakterisierung ihrer Membraneigenschaften unabdingbar, wofür die Titration mit Fluoreszenz-Sonden eingesetzt wurde. Darüber hinaus wurden Enzyme in die Vesikel eingekapselt wobei die neuartige Methode der post-Verkapselung untersucht wurde.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work the single-step/single-phase synthesis of hybrid organic-inorganic core-shell gold nanoparticles (AuNPs), facilitated by amino-functionalized amphiphilic block copolymers that simultaneously play the roles of reductant and stabilizer, was investigated in this study. Experiments were devised with emphasis on the pH-responsive poly(ethylene oxide)-b-poly(2,3-dihydroxypropyl methacrylate)-b-poly[2-(diisopropylamino)ethyl methacrylate] triblock copolymer, which allows direct chemical cross-linking of the micellar structures to be performed. The polymer structure-reactivity relationship associated with the AuNP formation was established using a set of six structurally related macromolecules. AuNP formation was dependent on the aqueous dissociation equilibrium involving tertiary amino groups, the Au(III) speciation, and electrochemical redox potentials. The effects of these parameters on the synthesis of AuNPs change as the solution pH is increased from pH 3.5 (molecularly dissolved polymer chains; no AuNP formation) to 6.8 or higher (polymer chains self-assembled into spherical micelles; stable gold sols are produced), and Au(III) reduction potentials shift toward the cathodic region whilst the oxidation potential of deprotonated amino groups decreases. Sigmoidal nanoparticle growth kinetics was observed in all cases after a characteristic induction period. Stable, well-defined, uniform polymer-coated gold colloids with localized surface plasmon resonance centered at 530 nm can be conveniently produced in one-pot, two-reactant, no work-up reactions when the stoichiometry is [N]/[Au] = 3.5 - 25.0. / Neste trabalho a síntese em única fase/etapa de nanopartículas de ouro híbridas orgânico-inorgânicas do tipo casca núcleo (AuNPs) facilitadas por copolímeros em bloco anfifílicos funcionalizados com grupos aminos e que simultaneamente atuam como agente redutor e estabilizante foi investigada. Os experimentos foram realizados com ênfase nas respostas frente ao pH do copolímero tribloco poli(óxido de etileno)-b-poli(metacrilato de 2,3-diidroxipropila)-b-poli(metacrilato de 2-(diisopropilamino)etila) e que permite a química direta de reticulação das estruturas micelares. A relação entre estrutura e reatividade do copolímero associada à formação das AuNPs foi estabelecida usando uma série de seis macromoléculas semelhantes aos blocos constituintes do copolímero. A formação das AuNPs é dependente do equilíbrio de dissociação envolvendo grupos aminos terciários, espécies de Au(III) e também do potencial eletroquímico redox. Os efeitos desses parâmetros levam a formação de AuNPs quando da mudança de pH de 3,5 (cadeias poliméricas dissolvidas não formam AuNPs) para pH 6,8 ou maior (polímero auto-organizado em micelas esféricas coloides estáveis de ouro são produzidos), e quando o potencial de redução dos íons Au(III) mudam para a região catódica e o potencial de oxidação dos grupos aminos desprotonados presentes no copolímero diminui. A cinética de crescimentos das AuNPs apresentou em todos os casos perfil sigmoidal após o período de indução característicos da síntese. Coloides de ouro estáveis, bem definidos e estabilizados pelo copolímero com ressonância plasmônica de superfície centrado em cerca de 530 nm foram produzidos em etapa única, dois reagentes, sem reações paralelas na estequiometria [N]/[Au(III)] entre 3,5 e 25.

Une série de complexes à base de titane porteurs de ligands aminodiols de différentes configuration (mélange de diastéréoisomère, meso, racémique ou chiral) ont été synthétisés et caractérisés par différentes techniques spectroscopiques. Ces complexes ont ensuite été utilisés comme amorceurs pour la polymérisation par ouverture de cycles de différents monomères hétérocycliques (L/rac-lactide, caprolactone, butyrolactone et triméthylène carbonate) via un mécanisme de coordination-insertion. Tous les complexes se sont révélés efficaces pour la polymérisation des lactides que ce soit en solution à 70°C ou en masse à 130°C avec un bon contrôle. Lors de la polymérisation du rac-lactide, le complexe porteur du ligand racémique a permis d‟obtenir un polylactide partiellement heterotactique, alors que tous les autres complexes n‟ont conduit qu‟à des polymères atactiques. Tous les complexes se sont également révélés très actifs pour la polymérisation de la caprolactone aussi bien en solution qu‟en masse à 70°C avec un bon contrôle. Des études cinétiques réalisées en solution ont permis de mettre en évidence un ordre cinétique unitaire en monomère. De bonnes activités ont également été obtenues pour la polymérisation de la butyrolactone et du triméthylène carbonate. De plus, le bon contrôle de ce type de la polymérisation a permis de synthétiser des copolymères à blocs du L/rac-lactide et de caprolactone. Enfin, la copolymérisation aléatoire de ces 2 monomères a permis de mettre en évidence une réactivité inversée par rapport aux réactions d'homopolymérisation. / A series of titanium isopropoxides complexes coordinated by enantiopure, racemic, meso and diastereomeric aminodiol ligands have been prepared and characterized by spectroscopic techniques. The complexes were tested as initiators for the ring opening polymerization (ROP) of cyclic esters such as L/rac-lactide, caprolactone, butyrolactone and trimethylene carbonate via coordination-insertion mechanism. In lactide polymerizations, all complexes showed significant activity both in solution at 70°C and in bulk at 130°C with a good control. The complex derived from rac-aminodiol ligand gave partially heterotactic polylactide in ROP of rac-lactide, whereas all other complexes yielded atactic polylactides. For caprolactone polymerizations, all complexes were found to be effective initiators under both solution and bulk conditions (up to 60% monomer conversion was reached within 10 min in bulk condition at 70°C), again with good control. Kinetic studies of ROP of lactides and caprolactone in solution conditions have been investigated and showed a first kinetic order in monomer. Significant activities were also observed for (ROP) of butyrolactone and trimethylene carbonate. Block copolymers of caprolactone and lactides were successfully synthesized with these catalytic systems by sequential polymerization techniques. The complexes were also tested as initiators for the production of random copolymers containing caprolactone and lactides and a reverse order of reactivity was observed between lactide and caprolactone compared to homopolymerization.

Le polyéthylène (PE) est omniprésent dans notre vie de tous les jours et ce principalement car il présente des propriétés thermiques et mécaniques qu’on ne retrouve pas d’autres polymères. Cependant, sa très faible réactivité chimique fait qu’il est difficile de l’incorporer dans des architectures macromoléculaires plus complexes qui pourraient profiter de ses propriétés uniques. La modification de polymères fonctionnels en extrémité de chaîne par des réactions de couplage efficaces est un outil très utilisé pour la conception d’architectures macromoléculaires. Parmi les différentes réactions envisageables, la réaction de cyclo-addition 1,3 dipolaire de Huisgen entre un azoture et un alcyne est très utilisée dans le domaine de la science des polymères pour lier des polymères entre eux. Une autre méthode performante est le couplage par une réaction d’addition de type hétéro Diels-Alder (HDA) entre un diène et un dithioformate. L’objectif de ce travail de thèse est dans un premier temps d’identifier un système de polymérisation catalytique de l’éthylène qui permette de synthétiser du polyéthylène de masse molaire variable et comportant à une extrémité une fonction réactive. Puis cette extrémité réactive est mise à profit dans des réactions de couplage efficaces comme celles mentionnées plus haut pour la synthèse d’architectures macromoléculaires incorporant des segments de PE / Polyethylene (PE) is a polymer of great importance in our everyday life due to its unique thermal and mechanical properties. However, it suffers from lack of reactivity that prevents to introduce it into more complexed architectures the final properties of which would benefit from these unique features. The modification of end-functionalized polymers through orthogonal and efficient coupling reactions is a powerful and widely used tool for the design of various macromolecular architectures. In today’s polymer science the copper catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) is the most frequently used « click » reaction. Another efficient coupling method is the hetero Diels-Alder (HDA) reaction between a diene end-functionalized polymer and the electron deficient dithioester end-group of a polymer synthesized by reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. Our first aim was to fin and optimize the best ethylene catalytic polymerization system that would allow to produce PE with different molar masses and end functional groups. In a second step, we tried to introduce polyethylene segments in macromolecular architectures by taking advantage of the best attributes of the aforementioned coupling reactions

Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung funktioneller Materialien, die ein multi-sensitives Ansprechverhalten aufweisen. Die Charakterisierung des Quellverhaltens der Gele stellt die Voraussetzung dar, die phasenseparierten Polymerfilme als multi-sensitive Sensorschichten mit verbessertem Ansprechverhalten einzusetzen. Die Aufgabe dieser Arbeit besteht in der Synthese von AB-Blockcopolymeren, die im wässrigen Medium auf die Temperatur oder auf die Temperatur und den pH-Wert ansprechen. Unter Verwendung der Makroinitiator-Technik werden Blockcopolymere synthetisiert. Zunächst werden temperatur-sensitive Polymere mit einem wasserlöslichen Polyethylenglykol-Block (PEG) und N-Isopropylacrylamid (NIPAAm) mittels "Atom Transfer Radical Polymerization" (ATRP) hergestellt. Die Umsetzung der durch "Nitroxide Mediated Radical Polymerization" (NMRP) hergestellten pH-sensitiven Poly(2-vinylpyridin)-Blöcke (P2VP) mit NIPAAm führt zu multi-sensitiven Blockcopolymeren. Da die Polymere auf ihre Quelleigenschaften in dünnen Filmen hin untersucht werden sollen, ist die Verwendung eines Chromophors, der in den NIPAAm-Block einpolymerisiert wird, nötig. Die Vernetzung der Polymerfilme erfolgt photochemisch. Das Quellverhalten der Polymerschichten wurde mit der Methode der "Surface Plasmon Resonance"-Spektroskopie (SPR) charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, multi-sensitive Polymere darzustellen und deren Sensitivität in dünnen Polymerfilmen nachzuweisen. Bei den synthetisierten Polymeren handelt es sich um neuartige und funktionelle Materialien.

This doctoral thesis is dedicated to the synthesis and characterization of novel functionalized hybrid structures for biomedical purposes. Systems reported in this work can be subdivided into the two main groups: natural-based materials and synthetic amphiphilic block copolymers. Both groups were studied as perspective theranostic agents for medical applications. In the first group, natural polysaccharides glycogen and mannan were selected as starting materials for preparation of novel nanoconjugates that possess ability for multimodal detection in vivo. Because grafting of natural macromolecules with synthetic polymers generally slows down the biodegradation rate, both polysaccharides were modified in two different ways to form nanoprobes with or without poly(2-methyl-2-oxazoline)s chains. The prepared nanoconjugates were functionalized with N-hydroxysuccinimide-activated fluorescence and magnetic resonance imaging labels. The resulting materials were tested both in vitro and in vivo and were shown to be completely biocompatible, biodegradable and exhibit some extra benefits in terms of their practical usage in biomedicine. Glycogen was functionalized with allyl and propargyl groups with following freeze-drying from aqueous solutions to form nano- and microfibrous materials. The presence of both...

Block copolymer/inorganic nanoparticle hybrids draw great attention of scientists from various areas for their potential applications in diverse fields such as microelectronics, sensors, and solar cells. Inorganic nanoparticles (NPs) can be expected to be incorporated into block copolymers with order and selectivity by self-assembly of NPs and/or by synergistic self-assembly between NPs and block copolymers. The morphology and nanostructure order of block copolymers can be also adjusted and directed by incorporation of NPs. In this study, the effect of the size and modification of AuNPs on the morphology and nanostructure orientation of block copolymer PPMA-b-PMMA thin films were systematically investigated. The lateral BCP structure in thin films was improved by adding AuNPs. The controlled location of AuNPs in the BCP thin films depended on the particle size and stabilizing species. The re-orientation of cylindrical domains depended on the modification of AuNPs. PPMA-coated AuNPs, corresponding to the lower surface energy component of BCP, were powerful in directing the cylinders from parallel to perpendicular to the substrate. These results provide a general guide for other BCP/inorganic NP hybrid systems for desired morphology and nanostructure orientation.

Die Übertragung der amphiphilen Grundbausteine der Liposome in die Welt der Polymere führte zu Blockcopolymeren, welche sogenannte Polymersome bilden können. Die synthetische Herkunft der Polymere ermöglicht es, eine Vielzahl von verschiedenen chemischen Funktionalitäten einzubringen. Anwendungen von Polymersomen werden vor allem als Wirkstoffträgersystem oder im Bereich der synthetischen Biologie als Nanoreaktoren oder künstliche Zellorganellen ausgemacht. In vielen Fällen wird dabei eine Schaltbarkeit oder Responsivität der Vesikel gegenüber äußerer Stimuli benötigt. Als nächste Stufe der Komplexizität können die responsiven, »smarten« Polymersome innerhalb ihrer Membran quervernetzt werden, wodurch es möglich wird, den Durchmesser und die Membranpermeabilität der Vesikel reversibel hin- und herzuschalten. Diese Arbeit baut dabei auf pH-responsiven Polymersomen auf, welche durch photochemische Reaktionen vernetzt werden. Dabei soll zunächst der Frage nachgegangen werden, an welchem pH Wert genau der Übergang von kollabierten zu gequollenen Vesikeln erfolgt und wie sich dieser »kritischer pH« (pH*) verändern und einstellen lässt. Neben der Herstellung von maßgeschneiderten Polymersomen ist aber auch die detaillierte Charakterisierung ihrer Membraneigenschaften unabdingbar, wofür die Titration mit Fluoreszenz-Sonden eingesetzt wurde. Darüber hinaus wurden Enzyme in die Vesikel eingekapselt wobei die neuartige Methode der post-Verkapselung untersucht wurde.