The thesis aims to synthesize hyperbranched poly(urea-urethane) polymers (HPU) in one-pot method using commercially available monomers which are 2,4-toluylene diisocyanate (TDI) as aromatic diisocyanate and isophorone diisocyanate (IPDI) and 2(3-isocyanatopropyl) cyclohexylisocyanate (IPCI) as aliphatic diisocyanates. Those proposed diisocyanates were reacted with diethanolamine (DEA) or diisopropanolamine (DIPA). Conditions of polymerisation reactions were optimised. Complete structural analysis using 1H and 13C NMR for the obtained aromatic polymers was carried out. Degree of branching up to 70% was calculated. Aliphatic polymers have spectra with overlapped signals therefore, no full structural analysis was possible. Molar masses were determined using SEC/RI detector which shows that the prepared polymers have Mw values between 1600 g/mol and 106000 g/mol. Thermal analysis for different polymer systems showed that aliphatic HPU are more thermally stable and have values of glass transition temperature higher than aromatic ones. Modification of the end groups in the prepared hyperbranched polymers was carried out using three different modifiers and degree of modification up to 100%. Linear polymers based on the same diisocyanate monomers were prepared to compare the properties of hyperbranched systems with their linear analogs. Measurements of solution viscosity showed that HPU have lower solution viscosity values than their linear analogs of comparable molar masses. Rheological measurement of some polymer samples of different systems were carried out and showed that our hyperbranched systems exhibit a more elastic behavior than the linear polymers. Surface studies for thin films prepared from different polymer systems (hyperbranched, linear and modified) were carried out and the obtained thin films were characterized using light microscope, microglider, GC-MS, and AFM. Contact angle measurements showed that HPU have a relatively hydrophilic character. The modified polymers have higher contact angle values than the unmodified ones due to the lack of OH end groups. Networks based on aliphatic and aromatic HPU were prepared through the reaction of HPU with trimer of 1,6-diisocyanatohexane and characterised by DSC, GC-MS, DMA and AFM. The domain size in aromatic networks was found to be larger than in aliphatic networks. Tensile test was carried out and it was found that aliphatic network is more elastic than aromatic one.

Dendritische Polymere werden im zunehmenden Maße als nicht-virale Vektoren für virus- oder tumor-assoziierte Antigen-Peptide zur Entwicklung neuer immuntherapeutischer Strategien eingesetzt. Diese beruhen auf der Verwendung von dendritischen Zellen (DCs), welche Schlüsselzellen bei der Induktion und Aufrechterhaltung einer T-Zell-basierten Immunantwort darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Nitrilotriessigsäure-funktionalisierte dendritische Glycopolymere (NTA-DG) für den Transport von Antigen-Peptiden in DCs etabliert. Die Ni(II)-NTA-DGs waren durch definierte Komplexierungs- und Freisetzungseigenschaften charakterisiert. So wurde das Antigen-Peptid bei einem pH-Wert unter 6 vom polymeren Träger freigesetzt. Die gebildeten Polyplexe, zwischen Ni(II)-NTA-DG und dem Antigen-Peptid, bewirkten eine Erhöhung der Antigen-Peptid-Aufnahme in immaturen DCs (iDCs). Dieses war nach der Endozytose im frühen endosomalen und lysosomalen Kompartiment von iDCs lokalisiert. Somit kann das Antigen-Peptid am MHC Klasse II-Molekül im lysosomalen Kompartiment ohne sterische Hinderungen durch die Polymeroberfläche binden. Die Polyplexe bewirkten eine Aktivierung der iDCs durch Aufregulation der kostimulatorischen Moleküle CD86 und CD80 sowie der pro-inflammatorischen Zytokine IL-6 und IL-8. Weiterhin wurde die Migrationsfähigkeit und das pro-inflammatorische Potential der Antigen-Peptid enthaltenen maturen DCs (mDCs) aufrechterhalten. Somit stellen Ni(II)-NTA-DGs ein vielversprechendes polymeres Trägersystem für Antigen-Peptide dar.

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Moderne analytische Verfahren ermöglichen eine höchst effiziente Auftrennung und eine selektive Detektion von Zielanalyten. Dies ist vor allem in der Medizin von Bedeutung, da eine frühzeitige Diagnose von Krankheiten in den meisten Fällen zu einer wesentlich erfolgreicheren Behandlung beiträgt. In unserer heutigen Industriegesellschaft werden daher hochsensitive und effiziente Analysemethoden stärker benötigt als je zuvor. Diverse Umweltgifte oder gesundheitliche Schadstoffe gelangen vermehrt in Grundwasser und Umwelt. Eine Analyse ist aufgrund der oft nur geringen Konzentrationen und der Komplexität diverser Proben häufig mit großen Schwierigkeiten verbunden. Obwohl die Sensitivität und Effizienz zur Bestimmung von Krankheitsmarkern (Biomarker) und Schadstoffen immer weiter zunimmt, stoßen selbst höchstsensitive Analysemethoden an ihre Grenzen. Gerade bei kleinsten Konzentrationen an Zielanalyten oder bei komplexen Gemischen ist eine direkte Detektion ohne weitere Vorbehandlung, wie Aufkonzentrierungen oder Markierungen, äußerst schwierig oder nicht möglich. Eine Optimierung dieser Methoden, deren Automatisierung sowie sensitivere Detektorsysteme werden benötigt. Darüber hinaus ist die Entwicklung von neuartigen, selektiveren mobilen und stationären Phasen ein hochinteressantes und umfangreich untersuchtes Forschungsgebiet. Die Verwendung von hochselektiven Additiven, wie Cyclodextrinen, Kronenethern, Mizellen und andere chirale Selektoren in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), Kapillarelektrophorese (CE)[1,2] oder in der Dünnschicht-Chromatographie (TLC)[3] wurde bereits umfangreich untersucht und etabliert. Hochfunktionalisierte Polymere als äußerst spezifische Selektoren mit hoher Selektivität stellen vielversprechende Materialien dar, die ebenfalls eine Optimierung in der HPLC und CE erzielen.[4-9] Der Einsatz von Polymeren in molekular geprägten Matrizen (molecular imprinted polymers, MIP) oder in monolithischen Trennsäulen wird bereits äußerst erfolgreich in der TLC, HPLC und CE genutzt.[7-11] Eine solch hochselektive Säulenmodifizierung bietet eine sehr gute Performance und hervorragende Trennleistungen. Ein Nachteil dieser hochselektiven Modifizierung ist jedoch die Spezialisierung nur auf das jeweilige Problem. Eine universelle Verwendung für komplexe Gemische und eine Fülle von Analyten ist limitiert. Ein sehr vielversprechender Aspekt ist der Einsatz von Polymeren als chirale Selektoren in der stationären wie auch in der mobilen Phase. Die große Anzahl an kommerziell erhältlichen Trennsäulen mit einer Polymermodifizierung und das ständig umfangreichere Angebot solcher Säulen[12] verdeutlichen diesen Trend und zeigen, dass die Nutzung von polymeren Architekturen für eine weitere Optimierung diverse Möglichkeiten bietet. Hochverzweigte Polymere stellen unter den Polymeren vielversprechende Materialien dar, die aufgrund ihrer Vorteile zu einer effektiven Optimierung beitragen können.[12] Die hohe Anzahl an terminalen Gruppen ermöglichen es, gut zugängliche anwendungsorientierte Modifizierungen durchzuführen, um gewünschte Eigenschaften zu generieren. Durch die hohe Variabilität der Polymere selbst und der diversen Modifizierungsmöglichkeiten zeigen maßgeschneiderte Polymere ein enormes Potential und die Möglichkeit hochselektive Wechselwirkungen mit Zielanalyten zu etablieren. Die Modifizierung mit einer Schale um den polymeren Kern ermöglicht weitere Optimierungen für den Einsatz von Kern-Schale-Architekturen. Beispiele hierfür sind unter anderem die Vermittlung höherer Löslichkeit durch eine Modifizierung des hydrophilen/hydrophoben polymeren Kerns zur Etablierung einer äußeren Schale. Ebenso können durch die Modifizierung gezielte Eigenschaften generiert werden, die eine spezifische Interaktion mit Oberflächen oder Wirkstoffen ermöglichen. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Synthese und die Untersuchung von Kern-Schale-Architekturen als chromatographische Selektoren. Als polymerer Kern wird hochverzweigtes Poly(ethylenimin) (PEI) verwendet, das mit einer Oligosaccharidschale modifiziert wird. Das PEI wird mit den Kerngrößen 5 und 25 kDa verwendet, wodurch eine Untersuchung des Kerneinflusses möglich ist. Weiterhin wird die Dichte der Oligosaccharidschale eingestellt. Dafür wird eine dichte, moderate bis offene und eine sehr offene Oligosaccharidschale um den polymeren Kern generiert. Infolge dessen kann der Einfluss der Schalendichte auf die Interaktion mit Beispielanalyten evaluiert werden. Für die Oligosaccharidschale (OS) werden darüber hinaus drei verschiedene Oligosaccharide (Maltose, Lactose und Maltotriose) verwendet, um den Einfluss der Art der Schale zu prüfen. Durch diese Variationen können 15 unterschiedliche PEI-OS Kern-Schale-Architekturen synthetisiert und untersucht werden. Weiterhin soll der hydrophobe Anteil der Kern-Schale-Architekturen durch die Anbindung von unpolaren Seitenketten an einen PEI-Kern erhöht werden. Auf diese Art und Weise können nicht-kovalente Wechselwirkungen mit lipophilen Systemen untersucht werden. Um polymere Kern-Schale-Architekturen möglichst effizient in der TLC, HPLC und CE einsetzen zu können, ist es essentiell, ihre Eigenschaften und die Art und Weise der Wechselwirkungen zu kennen, die sie mit möglichen Gastmolekülen eingehen. Durch die Untersuchung dieser Wechselwirkungen können Informationen über deren Interaktionen und eine mögliche Manipulation bzw. Optimierung dieser erhalten werden. Ein zielgerichteter und effektiver Einsatz mit diesen Kern-Schale Architekturen kann so vorbereitet werden. [1] T. J. Ward, K. D. Ward, Anal. Chem. 2012, 84, 626-35. [2] W. J. Cheong, S. H. Yang, F. Ali, J. Sep. Sci. 2013, 36, 609-28. [3] M. D. Bubba, L. Checchini, L. Lepri, Anal. Bioanal. Chem. 2013, 405, 533-554. [4] M. Hanson, K. K. Unger, Trends Anal. Chem. 1992, 11, 368-373. [5] J. Kirkland, J. Chromatogr. A 2004, 1060, 9-21. [6] F. Gasparrini, D. Misiti, R. Rompietti, C. Villani, J. Chromatogr. A 2005, 1064, 25-38. [7] A. Martin-Esteban, Trends Anal. Chem. 2013, 45, 169-181. [8] I. Nischang, J. Chromatogr. A 2013, 1287, 39-58. [9] R. D. Arrua, M. Talebi, T. J. Causon, E. F. Hilder, Anal. Chim. Acta 2012, 738, 1-12. [10] P. Jandera, J. Chromatogr. A 2013, 1313, 37-53. [11] F. Svec, J. Sep. Sci. 2004, 27, 1419-1430. [12] M. Tang, J. Zhang, S. Zhuang, W. Liu, Trends Anal. Chem. 2012, 39, 180-194.

The introduction of a nanoscopic reinforcing phase to a polymer matrix offers great possibilities of obtaining improved properties, enabling applications outside the boundaries of traditional composites. The majority of the work in this thesis has been devoted to polymer/clay nanocomposites in coating applications, using the hydroxyl-functional hyperbranched polyester Boltorn® as matrix and montmorillonite clay as nanofiller. Nanocomposites with a high degree of exfoliation were readily prepared using the straightforward solution-intercalation method with water as solvent. Hard and scratch-resistant coatings with preserved flexibility and transparency were obtained, and acrylate functionalization of Boltorn® rendered a UV-curable system with similar property improvements. In order to elucidate the effect of the dendritic architecture on the exfoliation process, a comparative study on the hyperbranched polyester Boltorn® and a linear analogue of this polymer was performed. X-ray diffraction and transmission electron microscopy confirmed the superior efficiency of the hyperbranched polymer in the preparation of this type of nanocomposites. Additionally, an objective of this thesis was to investigate how cellulose nanofibers can be utilized in high performance polymer nanocomposites. A reactive cellulose “nanopaper” template was combined with a hydrophilic hyperbranched thermoset matrix, resulting in a unique nanocomposite with significantly enhanced properties. Moreover, in order to fully utilize the great potential of cellulose nanofibers as reinforcement in hydrophobic polymer matrices, the hydrophilic surface of cellulose needs to be modified in order to improve the compatibility. For this, a grafting-from approach was explored, using ring-opening polymerization of ε-caprolactone (CL) from microfibrillated cellulose (MFC), resulting in PCL-modified MFC. It was found that the hydrophobicity of the cellulose surfaces increased with longer graft lengths, and that polymer grafting rendered a smoother surface morphology. Subsequently, PCL-grafted MFC film/PCL film bilayer laminates were prepared in order to investigate the interfacial adhesion. Peel tests demonstrated a gradual increase in the interfacial adhesion with increasing graft lengths. / QC20100621

Moderne analytische Verfahren ermöglichen eine höchst effiziente Auftrennung und eine selektive Detektion von Zielanalyten. Dies ist vor allem in der Medizin von Bedeutung, da eine frühzeitige Diagnose von Krankheiten in den meisten Fällen zu einer wesentlich erfolgreicheren Behandlung beiträgt. In unserer heutigen Industriegesellschaft werden daher hochsensitive und effiziente Analysemethoden stärker benötigt als je zuvor. Diverse Umweltgifte oder gesundheitliche Schadstoffe gelangen vermehrt in Grundwasser und Umwelt. Eine Analyse ist aufgrund der oft nur geringen Konzentrationen und der Komplexität diverser Proben häufig mit großen Schwierigkeiten verbunden. Obwohl die Sensitivität und Effizienz zur Bestimmung von Krankheitsmarkern (Biomarker) und Schadstoffen immer weiter zunimmt, stoßen selbst höchstsensitive Analysemethoden an ihre Grenzen. Gerade bei kleinsten Konzentrationen an Zielanalyten oder bei komplexen Gemischen ist eine direkte Detektion ohne weitere Vorbehandlung, wie Aufkonzentrierungen oder Markierungen, äußerst schwierig oder nicht möglich. Eine Optimierung dieser Methoden, deren Automatisierung sowie sensitivere Detektorsysteme werden benötigt. Darüber hinaus ist die Entwicklung von neuartigen, selektiveren mobilen und stationären Phasen ein hochinteressantes und umfangreich untersuchtes Forschungsgebiet. Die Verwendung von hochselektiven Additiven, wie Cyclodextrinen, Kronenethern, Mizellen und andere chirale Selektoren in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), Kapillarelektrophorese (CE)[1,2] oder in der Dünnschicht-Chromatographie (TLC)[3] wurde bereits umfangreich untersucht und etabliert. Hochfunktionalisierte Polymere als äußerst spezifische Selektoren mit hoher Selektivität stellen vielversprechende Materialien dar, die ebenfalls eine Optimierung in der HPLC und CE erzielen.[4-9] Der Einsatz von Polymeren in molekular geprägten Matrizen (molecular imprinted polymers, MIP) oder in monolithischen Trennsäulen wird bereits äußerst erfolgreich in der TLC, HPLC und CE genutzt.[7-11] Eine solch hochselektive Säulenmodifizierung bietet eine sehr gute Performance und hervorragende Trennleistungen. Ein Nachteil dieser hochselektiven Modifizierung ist jedoch die Spezialisierung nur auf das jeweilige Problem. Eine universelle Verwendung für komplexe Gemische und eine Fülle von Analyten ist limitiert. Ein sehr vielversprechender Aspekt ist der Einsatz von Polymeren als chirale Selektoren in der stationären wie auch in der mobilen Phase. Die große Anzahl an kommerziell erhältlichen Trennsäulen mit einer Polymermodifizierung und das ständig umfangreichere Angebot solcher Säulen[12] verdeutlichen diesen Trend und zeigen, dass die Nutzung von polymeren Architekturen für eine weitere Optimierung diverse Möglichkeiten bietet. Hochverzweigte Polymere stellen unter den Polymeren vielversprechende Materialien dar, die aufgrund ihrer Vorteile zu einer effektiven Optimierung beitragen können.[12] Die hohe Anzahl an terminalen Gruppen ermöglichen es, gut zugängliche anwendungsorientierte Modifizierungen durchzuführen, um gewünschte Eigenschaften zu generieren. Durch die hohe Variabilität der Polymere selbst und der diversen Modifizierungsmöglichkeiten zeigen maßgeschneiderte Polymere ein enormes Potential und die Möglichkeit hochselektive Wechselwirkungen mit Zielanalyten zu etablieren. Die Modifizierung mit einer Schale um den polymeren Kern ermöglicht weitere Optimierungen für den Einsatz von Kern-Schale-Architekturen. Beispiele hierfür sind unter anderem die Vermittlung höherer Löslichkeit durch eine Modifizierung des hydrophilen/hydrophoben polymeren Kerns zur Etablierung einer äußeren Schale. Ebenso können durch die Modifizierung gezielte Eigenschaften generiert werden, die eine spezifische Interaktion mit Oberflächen oder Wirkstoffen ermöglichen. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Synthese und die Untersuchung von Kern-Schale-Architekturen als chromatographische Selektoren. Als polymerer Kern wird hochverzweigtes Poly(ethylenimin) (PEI) verwendet, das mit einer Oligosaccharidschale modifiziert wird. Das PEI wird mit den Kerngrößen 5 und 25 kDa verwendet, wodurch eine Untersuchung des Kerneinflusses möglich ist. Weiterhin wird die Dichte der Oligosaccharidschale eingestellt. Dafür wird eine dichte, moderate bis offene und eine sehr offene Oligosaccharidschale um den polymeren Kern generiert. Infolge dessen kann der Einfluss der Schalendichte auf die Interaktion mit Beispielanalyten evaluiert werden. Für die Oligosaccharidschale (OS) werden darüber hinaus drei verschiedene Oligosaccharide (Maltose, Lactose und Maltotriose) verwendet, um den Einfluss der Art der Schale zu prüfen. Durch diese Variationen können 15 unterschiedliche PEI-OS Kern-Schale-Architekturen synthetisiert und untersucht werden. Weiterhin soll der hydrophobe Anteil der Kern-Schale-Architekturen durch die Anbindung von unpolaren Seitenketten an einen PEI-Kern erhöht werden. Auf diese Art und Weise können nicht-kovalente Wechselwirkungen mit lipophilen Systemen untersucht werden. Um polymere Kern-Schale-Architekturen möglichst effizient in der TLC, HPLC und CE einsetzen zu können, ist es essentiell, ihre Eigenschaften und die Art und Weise der Wechselwirkungen zu kennen, die sie mit möglichen Gastmolekülen eingehen. Durch die Untersuchung dieser Wechselwirkungen können Informationen über deren Interaktionen und eine mögliche Manipulation bzw. Optimierung dieser erhalten werden. Ein zielgerichteter und effektiver Einsatz mit diesen Kern-Schale Architekturen kann so vorbereitet werden. [1] T. J. Ward, K. D. Ward, Anal. Chem. 2012, 84, 626-35. [2] W. J. Cheong, S. H. Yang, F. Ali, J. Sep. Sci. 2013, 36, 609-28. [3] M. D. Bubba, L. Checchini, L. Lepri, Anal. Bioanal. Chem. 2013, 405, 533-554. [4] M. Hanson, K. K. Unger, Trends Anal. Chem. 1992, 11, 368-373. [5] J. Kirkland, J. Chromatogr. A 2004, 1060, 9-21. [6] F. Gasparrini, D. Misiti, R. Rompietti, C. Villani, J. Chromatogr. A 2005, 1064, 25-38. [7] A. Martin-Esteban, Trends Anal. Chem. 2013, 45, 169-181. [8] I. Nischang, J. Chromatogr. A 2013, 1287, 39-58. [9] R. D. Arrua, M. Talebi, T. J. Causon, E. F. Hilder, Anal. Chim. Acta 2012, 738, 1-12. [10] P. Jandera, J. Chromatogr. A 2013, 1313, 37-53. [11] F. Svec, J. Sep. Sci. 2004, 27, 1419-1430. [12] M. Tang, J. Zhang, S. Zhuang, W. Liu, Trends Anal. Chem. 2012, 39, 180-194.

Utveckling av polymer baserade läkemedelsbärare i nanostorlek har blivit allt viktigare för att effektivisera behandling och diagnosering av olika sjukdomar, speciellt cancer. Flera läkemedel som används i kemoterapi har bristfälliga egenskaper som låg löslighet i vatten, oönskad nedbrytbara till dess inaktiva form, och distribution i stora volymer till oönskade organ p.g.a. dess icke-selektiva förmåga. Nanopartiklar är små partiklar med diameter 1-500 nm som genom passiv/aktiv transport kan passera olika biologiska barriärer och transportera läkemedel i optimala mängder till specifika celler. Denna selektiva transport bidrar till ökad terapeutiskt index och minskning av toxiska effekter i övriga delar av kroppen. Hyperförgrenade linjär-dendritiska hybrider är en subgrupp av dendritiska polymer som har stor potential att användas som byggstenar i utvecklingen av läkemedelsbärare. I detta projekt producerades ett bibliotek av hyperförgrenade linjär-dendritiska material via Fischer esterifikation reaktionen som är en snabb, billig och uppskalningsbar produktionsmetod. Vidare post funktionaliserades materialen med allyl grupper för produktion av nano geler genom UV-inducerad korslänkning och vidare funktionalisering. Samtliga producerade hyperförgrenade linjär-dendritiska material hade förmågan att bilda miceller i vatten. Materialen med bäst micelle bildningsförmåga användes för att kemiskt korslänka dem och producera nano geler. Nano gelernas inre del funktionaliserades framgångsrikt med tre olika funktionella grupper; katjoniska, anjoniska och hydrofoba via resterande fria allyler. Detta påvisar att dessa dendritiska nano geler har potential att bära olika material som hydrofobiska läkemedel eller genetiskt material. Dom producerade nano gelerna hade en hydrodynamisk volym inom intervallet 124-200 nm. Detta är fördelaktigt då dem kan transporteras till tumörområdet via ökad permeabilitet och retention, också kallad EPR effekten, utan att initiera ett immunologiskt svar eller filtreras från blodomloppet via njuren. / The development of nano- based drug carriers is of high importance in anti-cancer treatment as anticancer drugs suffers from limitations as low aqueous solubility, non-selective targeting, off-target degradation and low therapeutic concentrations at target site. Hyperbranched polymers are potential candidates as drug carrier due to its unique properties as globular shape, high number of functional groups and high degree of branching. In addition, hyperbranched polymers are synthesized via one-step polymerization reaction with high yields, low costs and good scale-up possibilities. In this project a library of hyperbranched linear-dendritic hybrid materials based of 2,2-bis(hydroxymethyl)propionic acid (bis-MPA) and monofunctional poly (ethylene glycol) (mPEG) was synthesized via the Fischer esterification reaction. The materials were then post functionalised with hydrophobic allyl groups. The materials self-assembled into micelles in water and candidates with best self-assembly ability were used to fabricate dendritic nanogels by UV-induced cross-linking. The formed dendritic nanogels obtained a hydrodynamic volume between 124-200 nm, which indicates that these dendritic nanogels can be used as drug carrier and accumulate at target-site via the enhanced permeability and retention (EPR) effect. The dendritic nanogels inner core was also successfully attached with cationic, hydrophobic and anionic groups respectively. This confirmed that the dendritic nanogels have the potential to encapsulate different types of cargo such as DNA or hydrophobic drugs in the inner core.