<p> Studies examining the characteristics of membranes that facilitate and affect fusion are central to understanding the intricacies of inter- and intra-cellular fusion processes and expanding the existing knowledge of other roles membranes may have. In this thesis a model membrane system, using Sendai Virus and Egg phosphatidylcholine (EggPC) liposomes containing the receptor glycophorin A (proteoliposomes), was used in examining different fusion with proteoliposomes prepared by different methods. For the first time glycophorin A was incorporated into EggPC liposomes vectorially. This was accomplished separately with two detergents: octylglucoside and CHAPS. Fusion of Sendai Virus with the reconstituted proteoliposomes revealed that octylglucoside reconstituted proteoliposomes exhibited lower fusion compared with CHAPS reconstituted proteoliposomes. Efforts to determine the basis for this difference, using either proteinase K or O-glycosidase digestion and subsequent fragment analysis using SDS-PAGE and silver-staining, were inconclusive. A separate study examined the ability of large membrane-anchored biopolymers (chosen in virtue of their large hydrophilic domains) to sterically stabilize Egg PC liposomes. Glycophorin A, the lipophosphoglycan (LPG) from Leishmania donovani, and a polyethyleneglycol-conjugated phospholipid (PEG5000-PE) were incorporated into Egg PC liposomes. In each case, binding of a soluble fluorescent probe, NeutrAvidin Oregon Green, to liposomes containing biotin-conjugated lipid was restricted. This supports the idea that large membrane-anchored biopolymers are able to sterically stabilize liposomes.</p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Poly(dimethylsiloxane) (PDMS) fluids containing magnetite nanoparticles stabilized with carboxylic acid-functionalized PDMS were prepared. PDMS-magnetite complexes were characterized using transmission electron microscopy, elemental analysis, and vibrating sample magnetometry. PDMS-magnetite complexes containing up to 67 wt% magnetite with magnetizations of ~52 emu gram-1 were prepared. The magnetite particles were 7.4 ± 1.7 nm in diameter. Calculations suggested that the complexes prepared using mercaptosuccinic acid-functionalized PDMS (PDMS-6COOH) complexes contained unbound acid groups whereas the mercaptoacetic acid-functionalized PDMS (PDMS-3COOH) complexes did not. Calculations showed that the PDMS-3COOH and PDMS-6COOH covered the same surface area on magnetite. Calculations were supported by molecular models and FTIR analyses. The complexes were dispersed into PDMS carrier fluids by ultrasonication, resulting in magnetic PDMS fluids with potential biomedical applications. Magnetite particles (100 nm to 1 mm in diameter) were prepared by crystallization from goethite/glycol/water solutions under pressure. Two methods for particle growth were investigated in which the crystallization medium was varied by adjusting the amount of water or by adding itaconic acid. Particle surfaces were analyzed by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Particles with clean surfaces were coated with carboxylic acid-functionalized poly(e-caprolactone) stabilizers. Adding itaconic acid to the reactions afforded particles ~100 nm in diameter. The magnetite particles displayed magnetic hysteresis. The particles were dispersed into vinyl ester resins by ultrasonication and it was demonstrated that the ~100 nm particles remained dispersed for three days without agitation. These dispersions have applications in magnetic induction heating for composite repair. Living polymerizations of hexamethylcyclotrisiloxane were terminated with dimethylchlorosilane, phenylmethylchlorosilane, or diisopropylchlorosilane (DIPCS). Platinum-catalyzed hydrosilation of the hydrosilane-terminated PDMS with allyloxyethanol afforded a systematic series of hydroxyalkyl-terminated PDMS. The reactions were successful except for the hydrosilation of the sterically-hindered DIPCS-functionalized PDMS where no reaction was observed. Hydroxyalkyl-terminated PDMS oligomers were successful in initiating the stannous octoate-catalyzed copolymerization of e-caprolactone, which afforded PDMS-b-PCL diblock copolymers of controlled composition. / Ph. D.

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The composition and stability of polymer-magnetite complexes is essential for their use as a treatment for retinal detachment, for drug targeting and delivery, and for use as a MRI contrast agent. This work outlines a general methodology to design well-defined, stable polymer-magnetite complexes. Colloidal modeling was developed and validated to describe polymer brush extension from the magnetite core. This allowed for the observation of deviations from expected behavior as well as the precise control of polymer-particle complex size. Application of the modified Derjaguin-Verwey-Landau-Overbeek (DLVO) theory allowed the determination of the polymer loading and molecular weight necessary to sterically stabilize primary magnetite particles. Anchoring of polyethers to the magnetite nanoparticle surface was examined using three different types of anchor groups: carboxylic acid, ammonium, and zwitterionic phosphonate. As assessed by dynamic light scattering (DLS), the zwitterionic phosphonate group provided far more robust anchoring than either the carboxylic acid or ammonium anchor groups, which was attributed to an extremely strong interaction between the phosphonate anchor and the magnetite surface. Coverage of the magnetite surface by the anchor group was found to be a critical design variable for the stability of the zwitterionic phosphonate groups, and the use of a tri-zwitterionic phosphonate anchor provided stability in phosphate buffered saline (PBS) for a large range of polymer loadings. Incorporation of an amphiphlic poly(propylene oxide)-b-poly(ethyelene oxide) (PPO-b-PEO) diblock copolymer attached to the magnetite surface was examined through colloidal modeling and DLS. The relaxivity of the complexes was related to aggregation behavior observed through DLS. This indicated the presence of a hydrophobic interaction between the PPO layers of neighboring complexes. When this interaction was large enough, the complexes exhibited an increased relaxivity and cellular uptake. Thus, we have developed a methodology that allows for design of polymer-magnetite complexes with controlled sizes (within 8% of predicted values). Application of this methodology incorporated with modified DLVO theory aids in the design of colloidally stable complexes with minimum polymer loading. Finally, determination of an anchor group stable in the presence of phosphate salts at all magnetite loadings allows for the design of materials with minimum polymer loadings in biological systems. / Ph. D.

Despite numerous advantages of using particles in a wide range of applications, they have one drawback that is their tendency to agglomerate. One way to overcome this problem is to sterically  stabilize the particles by introducing polymeric  chains covalently attached to the surface. Surface modification by covalently attaching polymer chains to the particle surface can be achieved by e.g. a ‘grafting-from’ technique under UV irradiation. In this thesis, polylactide (PLA) particles were surface modified, under UV irradiation, with the hydrophilic monomers: acrylamide (AAm), acrylic acid (AA), and maleic anhydride (MAH). The developed ‘grafting-from’ technique was shown to be nondestructive method for surface modification of PLA particles of two different geometries. The change in surface chemistry of the PLA particles was confirmed by FTIR and XPS, indicating the success of the surface grafting technique. Force interaction between two surface grafted PLA substrates was measured by colloidal probe AFM in different salt concentrations. In order to understand the repulsive force, the AFM force profiles were compared to the DLVO theory and AdG model. Long range repulsive interactions were mainly observed when hydrophilic polymers were covalently attached to the surface of PLA particles, leading to steric interaction. Attractive force dominated the interaction when neat PLA particle was approaching each other, resulting in particle aggregation, even though short range repulsion was observed at small separation distance, i.e. approximately 10 nm. Attractive interaction was also observed when neat PLA was approaching to PAA-grafted PLA substrate. This attractive interaction was much greater than force interaction between two neat PLA substrates.  The surface grafted particles can be used in biomedical application where secondary interactions are important to overcome particle agglomeration such as particle-based drug delivery. / <p>QC 20130529</p>

Superparamagnetic nanoparticles have potential applications in targeted drug delivery and as magnetic resonance imaging contrast agents. Magnetite clusters are of particular interest for these applications because they provide higher magnetic flux (under a magnetic field) than individual magnetite nanoparticles, are biocompatible, and their size and compositions can be controlled. This thesis involves the controlled synthesis and characterization of clusters composed of magnetite nanoparticles stabilized with an amphiphilic block copolymer. It outlines a method to design and form well-defined and colloidally stable magnetite clusters. A Multi Inlet Vortex mixer (MIVM) was used because it is a continuous process that yields particles with relatively narrow and controlled size distributions. In the MIVM, four liquid streams collide under turbulent conditions in the mixing chamber where clusters form within milliseconds. The formation of magnetite clusters was studied in the presence of amphiphilic block copolymers containing poly (ethylene oxide) to provide steric stabilization and control of size distributions using flash nanoprecipitation. First, the mixer was tested using β-carotene as a model compound to form nanoparticles stabilized with an amphiphilic triblock copolymer poly(propylene oxide)-b-poly(ethylene oxide) (F127) at different Reynolds numbers and supersaturation values. Size analysis was done using dynamic light scattering and nanoparticle tracking analysis techniques. The cluster structure was studied using electron microscopy and magnetite compositions were measured using thermogravimetric analysis. Finally, the stability of magnetite clusters was studied over time and the effect of an applied magnetite field on the colloidal stability was investigated. / Master of Science

Surface modification techniques have played important roles in various aspects of modern technology. They have been employed to improve substrates by altering surface physicochemical properties. An ideal surface modifying technique would be a method that is applicable to any kind of materials prepared from a wide range of polymers and that can occur under mild reaction conditions. The work in this thesis has utilized four main concepts: I) the development of a ‘grafting-from’ technique by covalently growing polymer grafts from particle surfaces, II) the presence of steric and electrosteric forces due to long-range repulsive interactions between particles, III) a combined surface grafting and layer-by-layer approach to create polyelectrolyte multilayers (PEMs) on particle surfaces to fabricate strong and functional materials, and IV) the roles of hydrophilic polymer grafts and substrate geometry on surface degradation. A non-destructive surface grafting technique was developed and applied to polylactide (PLA) particle surfaces. Their successful modification was verified by observed changes to the surface chemistry, morphology and topography of the particles. To quantify the aggregation behavior of grafted and non-grafted particles, force interaction measurements were performed using colloidal probe atomic force microscopy (AFM). Long-range repulsive interactions were observed when symmetric systems, i.e., hydrophilic polymer grafts on two interacting surfaces, and asymmetric system were applied. Electrosteric forces were observed when the symmetric substrates interacted at pH 7.4. When PEMs were alternately assembled on the surface of poly(L-lactide) (PLLA) particles, the grafted surfaces played a dominated role in altering the surface chemistry and morphology of the particles. Three-dimensional scaffolds of surface grafted particle coated with PEMs demonstrated high mechanical performance that agreed well with the mechanical performance of cancellous bone. Nanomaterials were used to functionalize the scaffolds and further influence their physicochemical properties. For example, when magnetic nanoparticles were used to functionalize the scaffolds, a high electrical conductivity was imparted, which is important for bone tissue regeneration. Furthermore, the stability of the surface grafted particles was evaluated in phosphate buffered saline (PBS) solution. The nature of the hydrophilic polymer grafts and the geometry of the PLLA substrates played central roles in altering the surface properties of films and particles. After 10 days of PBS immersion, larger alterations in the surface morphology were observed on the film compared with microparticles grafted with poly(acrylic acid) (PAA). In contrast to the PAA-grafted substrates, the morphology of poly(acrylamide) (PAAm)-grafted substrates was not affected by PBS immersion. Additionally, PAAm-grafted microparticulate substrates encountered surface degradation more rapidly than PAAm-grafted film substrates. / <p>QC 20151002</p>

There is a need for multifunctional polymer-particle complexes for use in biomedical applications such as for drug delivery or as MRI contrast agents where composition and stability are essential for the complexes to function. This work outlines a general methodology for rationally designing complexes stabilized with polymer brush layers using adapted star polymer models for brush extension and pair potential. Block copolymer micelles were first utilized for experimental validation by using the brush extension model to predict the size and the interaction model to predict the second virial coefficient, A2. Subsequently, the models were used to predict the size and colloidal stability of magnetite-polymer complexes using the modified Deryaguin-Verwey-Landau-Overbeek theory. Novel hydrophilic triblock copolymers comprised of poly(ethylene oxide) tailblocks and a carboxylic acid containing polyurethane center block were examined by static and dynamic light scattering (SLS and DLS), small angle neutron scattering (SANS), and densiometry. Under conditions when the charge is suppressed such as at low pH and/or high ionic strength, the polymer chains self-assemble into micelles, whereas unimers alone are present under conditions where charge effects are important, such as high pH and low ionic strength. A model for effective interaction between star polymers was used to obtain an expression for the second virial coefficient (A2) for micelles in solution. The values of A2 obtained using this method were compared with experimentally determined values for star polymers and micelles. In doing so, not only was a new means of calculating A2 a priori introduced, but the applicability of star polymer expressions to micellar systems was established. Through the analogy of micelles to sterically stabilized nanoparticles, this model was applied to water-soluble block copolymers adsorbed on magnetite nanoparticles for the purpose of tailoring a steric stabilizing brush layer. The sizes of the magnetite-polymer complexes were predicted using the star polymer model employed for the micelle study with an added layer to account for the anchor block. Colloidal stability was predicted from extended DLVO theory using the pair interaction. This work will lead to a better understanding of how to design ion-containing block copolymers for steric stabilization of metal oxide nanoparticles. / Ph. D.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.