京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23233号 / 工博第4877号 / 新制||工||1761(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科化学工学専攻 / (主査)教授 宮原 稔, 教授 佐野 紀彰, 教授 松坂 修二 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, belongs to the group of conducting polymers and is characterized by its high stability, a moderate band gap and its optical transparency in the conductive state. A large disadvantage of conducting polymers, and also PEDOT, is their poor solubility. One way to achieve processible materials is the synthesis of colloidal particles. Thus, this work focuses on the development of conductive particles by preparing composite structures. Polymeric colloids like latex particles and microgels were used as templates for the oxidative polymerization of EDOT. Depending on template structure completely different composite morphologies with variable properties were obtained. It was found that modification with PEDOT did not only cause conductive particles for application as humidity sensor materials, but also candidates for further functionalization with gold nanoparticles (Au-NPs). Due to a multi-stage synthesis route it was possible to achieve polystyrene(core)-PEDOT(shell)-particles decored with Au-NPs. Microgels acting as “micro reactors” for the incorporation of PEDOT and Au-NPs were also used for preparing multifunctional composites for catalytic applications. / Poly(3,4-ethylendioxythiophen), PEDOT, gehört zur Gruppe der leitfähigen Polymere und zeichnet sich durch seine hohe Stabilität, eine moderate Bandlücke und seine optische Transparenz im dotierten Zustand aus. Ein Nachteil leitfähiger Polymere, wie auch von PEDOT, ist deren schlechte Löslichkeit. Die Synthese kolloidaler Partikel bietet jedoch eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen. In diesem Zusammenhang richtete sich der Fokus dieser Arbeit auf die Darstellung leitfähiger Partikel in Form von Kompositstrukturen. Polymerkolloide, wie Latex- und Mikrogelpartikel, sind als Template eingesetzt worden, in deren Gegenwart PEDOT durch eine oxidative Polymerisation synthetisiert wurde. In Abhängigkeit von der Struktur des Templats sind unterschiedliche Kompositmorphologien mit steuerbaren Eigenschaften erhalten worden. Auf diese Weise wurden neben Materialien für die Feuchtigkeitssensorik leitfähige Kompositpartikel hergestellt, die zusätzlich mit Gold-Nanopartikeln (Au-NP) funktionalisiert werden konnten. Durch ein mehrstufiges Syntheseverfahren sind somit Polystyrol(Kern)-PEDOT(Schale)-Partikel mit Au-NP-funktionalisierter Oberfläche synthetisiert worden. Mikrogelpartikel, die als „Mikroreaktoren“ für die Inkorporation von PEDOT- und Au-NP dienten, wurden ebenfalls eingesetzt, um multifunktionale Komposite mit katalytischen Eigenschaften herzustellen.

Le sujet de cette thèse consiste à incorporer une couronne de polymère hydrophile à la surface de particules de latex par amorçage et croissance en utilisant la polymérisation radicalaire contrôlée par transfert d’atome induite par les métaux. Les particules de latex, obtenues par, polymérisation radicalaire en émulsion ont été fonctionnalisées avec un « inimère », monomère comportant une fonction halogénée capable de jouer le rôle d’amorceur dans l’étape de greffage. Cette étape de greffage a ensuite été effectuée en présence de CuBr2, PMDETA et d’un métal à valence zéro tel que le cuivre, àtempérature ambiante à partir de latex non post-purifiés (présence de tensio-actif et d’amorceur résiduels et à taux de solide élevés). Au cours du processus, l(incorporation de l’inimère et de la couronne hydrophile a été vérifée par ToF-SIMS (time-of-light secondary ion mass spectrometry), par FTIR et par l’étude des propriétés colloïdales des latex greffés. / The incorporation of a hydrophilic polymer shell at the surface of latex particles was studied using a “grafting from” approach based on aqueous metal-mediated radical polymerization. Latexes were synthesized via classical emulsion polymerization and functionalized at their surface by a comonomer bearing a Br-funcitonal group (the so-called inimer), which played the role of the initiator in the grafting reaction. Conditions under which the grafting could be performed at 25°C, using a real latex (no elimination of the surfactant anf the radical initiator), in the presence of CuBr2, N,N,N’,N’’,N’’-pentamethyldiethylenetriamine (PMDTA) and zero valent metal, in particulary Cu(0), were indentified. The success of the functionalization and grafting steps was evaluated by ToF-SIMS (time-of-light secoondary iom mass spectromtry), by FTIR and by the final properties of the so-formed core-shell particles.

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, belongs to the group of conducting polymers and is characterized by its high stability, a moderate band gap and its optical transparency in the conductive state. A large disadvantage of conducting polymers, and also PEDOT, is their poor solubility. One way to achieve processible materials is the synthesis of colloidal particles. Thus, this work focuses on the development of conductive particles by preparing composite structures. Polymeric colloids like latex particles and microgels were used as templates for the oxidative polymerization of EDOT. Depending on template structure completely different composite morphologies with variable properties were obtained. It was found that modification with PEDOT did not only cause conductive particles for application as humidity sensor materials, but also candidates for further functionalization with gold nanoparticles (Au-NPs). Due to a multi-stage synthesis route it was possible to achieve polystyrene(core)-PEDOT(shell)-particles decored with Au-NPs. Microgels acting as “micro reactors” for the incorporation of PEDOT and Au-NPs were also used for preparing multifunctional composites for catalytic applications. / Poly(3,4-ethylendioxythiophen), PEDOT, gehört zur Gruppe der leitfähigen Polymere und zeichnet sich durch seine hohe Stabilität, eine moderate Bandlücke und seine optische Transparenz im dotierten Zustand aus. Ein Nachteil leitfähiger Polymere, wie auch von PEDOT, ist deren schlechte Löslichkeit. Die Synthese kolloidaler Partikel bietet jedoch eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen. In diesem Zusammenhang richtete sich der Fokus dieser Arbeit auf die Darstellung leitfähiger Partikel in Form von Kompositstrukturen. Polymerkolloide, wie Latex- und Mikrogelpartikel, sind als Template eingesetzt worden, in deren Gegenwart PEDOT durch eine oxidative Polymerisation synthetisiert wurde. In Abhängigkeit von der Struktur des Templats sind unterschiedliche Kompositmorphologien mit steuerbaren Eigenschaften erhalten worden. Auf diese Weise wurden neben Materialien für die Feuchtigkeitssensorik leitfähige Kompositpartikel hergestellt, die zusätzlich mit Gold-Nanopartikeln (Au-NP) funktionalisiert werden konnten. Durch ein mehrstufiges Syntheseverfahren sind somit Polystyrol(Kern)-PEDOT(Schale)-Partikel mit Au-NP-funktionalisierter Oberfläche synthetisiert worden. Mikrogelpartikel, die als „Mikroreaktoren“ für die Inkorporation von PEDOT- und Au-NP dienten, wurden ebenfalls eingesetzt, um multifunktionale Komposite mit katalytischen Eigenschaften herzustellen.

In novel drug delivery system, the encapsulation of therapeutic cells in microparticles has great promises for the treatment of a range of health con- ditions. Therefore, the encapsulation material and technology are of great importance to the validity and efficiency of the advanced medical therapy. Several unsolved challenges in regards to versatile microparticle synthesis ma- terials and methods form the main obstacle for a translation of novel cell therapy concepts from research to clinical practice. Thiol-ene based polymer systems have emerged and gained great popular- ity in material development in general and in biomedical applications specif- ically. The thiol-ene platform is broad and therefore of interest for a variety of applications. At the same time, many aspects of this material platform are largely unexplored, for example material and manufacturing technology developments for microfluidic applications . In this Ph.D. thesis, thiol-ene materials are explored for use in cell encap- sulation. The marriage of these two technology fields breeds the possibility for a novel microfluidic cell encapsulation approach using a novel encapsulation material. To this end, several new manufacturing technologies for thiol-ene and thiol-ene-epoxy droplet microfluidic devices were developed. Moreover, core-shell microparticle synthesis for cell encapsulation based on a novel co- synthesis concept using a thiol-ene based material was developed and inves- tigated. Finally, a thiol-ene-epoxy system was also used for the formation of microwells and microchannels that improve protein analysis on microarrays. The first part of the thesis presents the background and state-of-the-art technologies in regards to cell therapy, microfluidics, and thiol-ene based ma- terials. In the second part of the thesis, a novel manufacturing approach of thiol-ene-epoxy material as well as core-shell particle co-synthesis in micro- fluidics using thiol-ene based material are presented and characterized. The third part of the thesis presents the cell viability studies of encapsulated cells using the novel encapsulation material and method. In the final part of the thesis, two applications of thiol-ene-epoxy gaskets for protein detection mi- croarrays are presented. / Inkapsling av levande celler i mikrokapslar för terapeutiska ändamål är mycket lovande för frmatida behandling av många olika sjukdomar. Emeller- tid är en behandlings effektivitet i hög grad beroende av vilka material som används för inkapsling och vilken teknisk lösning som används för att ska- pa mikrokapslarna. För närvarande återstår det många utmaningar för att omvandla grundforskningresultat till klinisk verklighet, vilken kräver mer än- damålsenliga tillvägagångssätt för att tillverka mikrokapslar i material som är kompatibla med användningsområdena. De senaste åren har tiol-en baserade polymerer har blivit mycket använda för materialutveckling i stort och för biomedicinska tillämpningar i synnerhet. Med tiol-en kemi kan en mycket stor mängd helt olika syntetiska material framställas, vilket gör tiol-ener intressanta för en mängd applikationer. För närvarande är dock mycket inom denna materialklass outforskat, t.ex. inom material och tillverkningmetodik för mikrofluidiktillämpningar. I denna avhandling används tiol-ener för cellinkapsling. Sammanslagning av dessa teknologier möjliggör en ny typ av cellinkapsling med nya materi- alegenskaper. En mängd olika tillverkningssätt där tiol-en eller tiol-en-epoxi används för droplet-mikrofluidiksystem utvecklades. Core-shell mikrokapsel- syntes för cell-inkapsling baserat på en ny metod för samtidig syntes av både core och shell utvecklades och karaktäriserades. Slutligen utvecklades ett tiol- en-epoxi system för enkel integrering med proteinmikroarrayer på objektsglas. I avhandlingens första del presenteras bakgrund och dagens bästa teknolo- gier för terapeutisk cellinkapsling, mikrofluidik och tiol-en baserade material. I avhandlingens andra del presenteras en ny tillverkningsmetod för mikro- strukturerade tiol-en-epoxi artiklar och samtidig syntes av core och shell för mikrokapslar med användande av mikrofluidik. I den tredje delen presenteras cellöverlevandsstudier för de celler som inkapslats med de nya materialen och de nyutvecklade metoderna. I den avslutande delen beskrivs två specifika fall där tiol-en-epoxi komponenter används för proteindetektion och mikroarrayer. / <p>QC 20171122</p>

Diese Dissertation befasste sich mit der Entwicklung von optischen Sensormaterialien für anionische Zielmoleküle durch die Kopplung der herausragenden Erkennungsfähigkeiten von molekular geprägten Polymere (molecularly imprinted polymers, MIPs) mit der Empfindlichkeit fluorometrischer Nachweisverfahren. In dieser Arbeit wurde dabei der direkte Einschritt-Nachweis für das Design der Sensormaterialien adaptiert. Hierbei wird eine Fluoreszenzsonde für die Signalübertragung kovalent in die Hohlräume der MIP-Matrix eingebaut. MIP-Sensormaterialien wurde in monolithischen, Dünnfilm- und Kern/Schale-Partikel-Formaten hergestellt. Die hergestellten Materialien wurden unter Verwendung unterschiedlicher Techniken charakterisiert. Die Performanz der Sensormaterialien wurde auch in Bezug auf die Sensitivität, Selektivität sowie Ansprechzeit bewertet. In dieser Arbeit wurden dabei Systeme untersucht, bei denen die Signalerzeugung sowohl auf dem „Einschalten“ als auch auf dem „Ausschalten“ der Fluoreszenz beruhte. Mit den hergestellten Materialien wurden dabei viele Ziele des Projekts erreicht. Sowohl die synthetisierten dünnen Filme als auch die Kern/Schale-Partikel zeigten eine hohe Selektivität für die geprägten Aminosäuren, auch in Bezug auf die Unterscheidung von Enantiomeren. Diese Sensormaterialien waren ebenfalls durch eine niedrige Nachweisgrenze bis 60 µM und eine schnelle Ansprechzeit von 20 Sekunden gekennzeichnet. Insbesondere die Kern/Schale-Partikel können mit verschiedenen Detektionstechniken gekoppelt werden und sind potentiell für die Entwicklung von miniaturisierten Messinstrumenten für die on-line-Detektion sowie Point-of-Care-Diagnostik (patientennahe Labordiagnostik) einsetzbar. / This dissertation derives from the DFG project aimed on preparing optical sensor material for anionic target through combing the outstanding recognition of Molecularly imprinted polymer (MIPs) and sensitive fluorescence technique. A single step direct sensing strategy is adopted to prepare the sensor material in this thesis. Here, a fluorescence probe is covalently embedded into the MIP cavity for signal transduction. MIP sensor material are prepared in forms of bulk, thin film and particles. The material is characterized using various techniques. The performance of the sensor materials is also assessed in terms of sensibility, selectivity as well response time. Both the switching on and off signaling methods are tested in this thesis. The prepared material achieves the goal of the project. Both the prepared thin film as well as core-shell particle show prominent selectivity even a strong enantioselective discrimination. These sensing materials also have low LOD to 60 µM and fast sensing response of 20 seconds. Especially the core-shell sensing particle can be coupled with various detection techniques and is potentially applicable for developing miniaturized sensing instrument for on-line detection as well as point of care diagnose.

Les caractéristiques et les propriétés de libération de microparticules chargées de médicament dépendent de la nature des matériaux employés, des propriétés physicochimiques des microparticules, du choix de la méthode de production, et enfin des propriétés des molécules encapsulées. A l'inverse de la plupart des méthodes conventionnelles, les méthodes microfluidiques présentent l’avantage de bien mieux contrôler la génération de gouttelettes, leur taille et leur distribution de tailles. Ainsi des dispositifs microfluidiques à base de capillaires ont été développés pour obtenir des microbilles de polymère mais également des microparticules de type janus, coeur-écorce ou troyenne, toutes monodisperses en taille et chargées de médicament(s). Ces particules ont été produites à partir de solutions de monomère qui furent polymérisées par irradiations UV de telle sorte à garder intacte l'activité des molécules chargées. Ces dispositifs peuvent être assemblés dans un court laps de temps et un simple changement dans leur conception permet d’obtenir des morphologies de particules très différentes. Ces particules ont été développées dans le but de résoudre les problèmes rencontrés dans l’administration orale de médicaments. Par exemple les microbilles peuvent être utilisées pour délivrer des anti-inflammatoires non stéroïdiens de manière continue tandis que les particules Janus peuvent libérer, simultanément et sur le même site, deux principes actifs possédant des propriétés complètement différentes (solubilité, compatibilité) également de manière prolongée. Quant aux particules coeur-écorce, elles ont été conçues pour cibler la région du côlon de l'intestin humain, et y libérer simultanément deux médicaments. Les particules troyennes furent synthétisées à l’aide d’un procédé microfluidique semi-continu qui a permis une manipulation plus sécurisée des nanoparticules vectrices ainsi que la libération continue d’un médicament dans un liquide gastrique simulé. Chaque système a été entièrement caractérisé pour assurer l’invariance entre lots et la reproductibilité. En général, la libération des ingrédients actifs a pu être facilement contrôlée/ajustée par le réglage des paramètres opératoires et de matériaux tels que les débits des différentes phases, la nature et la concentration du médicament, des (co)monomères, des agents tensioactif et de réticulation, le pH du milieu de libération. Ces différents paramètres influencent les propriétés des microparticules telles que leur morphologie, forme, taille et densité de réticulation du réseau polymère. / Characteristics and release properties of drug loaded microparticles depend upon material used and choice of production method. Conversely to most of the conventional ones, microfluidic methods give an edge by improving the control over droplet generation, size and size distribution. Capillary-based microfluidic devices were successfully used to obtain monodisperse drug(s) loaded microbeads, janus, core-shell and trojan particles using UV initiated free radical polymerization while keeping activity of active loaded molecules. These devices can be assembled in a short period of time and a slight change in design gives completely different microparticles morphologies. These particles were developed with the aim to address different issues experienced in oral drug delivery. For instance microbeads can be used to deliver NASIDs in a sustained release manner while janus particles can release two APIs with completely different properties (solubility, compatibility) also in a sustained release manner. Core-shell particles were designed to target colonic region of human intestine for dual drug delivery. Trojan particles were synthesized in a new semi-continuous microfluidic process, thus improving nanoparticles safety handling and release in simulated gastric fluid. Each system was fully characterized to insure batch to batch consistency and reproducibility. In general, the release of active ingredients was controlled by tuning the operating and material parameters like phases flow rates, nature and concentration of drug, (co)monomers, surfactant and crosslinker, pH of release media with the result of different particle morphologies, sizes and shapes or matrix crosslinking density.