Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung funktioneller Polymerpartikel und deren Nutzung für biomedizinische Applikationen. Die Anwendungsgebiete der resultierenden Hybridmaterialien reichen vom Einsatz als Kontrastmittel in bildgebenden Verfahren der medizinischen Diagnostik über die Verwendung als Antimikrobium bis hin zum Einsatz als „Werkzeug“ zur Zellisolierung und aktivierung. Dazu wurden kompakte Latexpartikel und sensitive, poröse Mikrogelpartikel mittels emulgatorfreier Heterophasenpolymerisation synthetisiert. Als funktionelles Monomer wurde Glycidylmethacrylat verwendet, über dessen reaktive Epoxygruppen anschließend weitere Moleküle angebunden werden können. Die Funktionalisierung der Polymerpartikel erfolgte einerseits mit anorganischen Nanopartikeln (dotierte Lanthanfluorid-Nanopartikel, Gold- und Silbernanopartikel) und andererseits mit Biomolekülen wie Nukleotiden und Antikörpern. Einige Verwendungsgebiete, wie die Stimulierung von Memory-T-Zellen mit Antikörper-Polymer-Konjugaten oder der Einsatz der Silberkomposite aufgrund ihrer antimikrobiellen Wirkung, wurden näher untersucht. / The aim of this work was the synthesis of functional polymeric particles and their use for biomedical purposes. The application areas of the resulting hybrid materials range from contrast agents in medical diagnostics and usage due to antimicrobial properties to “tools” for cell isolation and activation. Compact core-shell particles and porous microgel particles were prepared by surfactant-free heterophase polymerization in water. All particles contain glycidyl methacrylate whose epoxy groups are capable to bind other molecules covalently. On the one hand, polymeric particles were functionalized with inorganic nanoparticles (doped lanthanum fluoride nanoparticles, gold and silver nanopariticles) and on the other hand with biomolecules such as nucleotides and antibodies. Selected application fields like the stimulation of memory T-cells with polymer-antibody-conjugates or the use of the silver composites due to their antimicrobial activity were investigated in detail.

Die Dissertation umfasst zwei Themenblöcke: Zum einen wurden die optisch-spektroskopischen Eigenschaften von fluoreszenten, farbstoffbeladenen Polymer-Mikropartikeln untersucht. Zum anderen wurde die Anwendbarkeit solcher Partikel für die Lumineszenzlebensdauer-Kodierung in der Durchflusszytometrie evaluiert. Die Charakterisierung der farbstoffbeladenen Mikropartikel erfolgte mittels optischer Spektroskopie. Am Beispiel mit Rhodamin 6G beladener Polymethylmethacrylat-Partikel konnte ein besseres Verständnis des Einbaus der Farbstoffmoleküle und der resultierenden Fluoreszenz-Charakteristika gewonnen werden. Es stellte sich heraus, dass die Beladungseffizienz stark vom mittleren Partikeldurchmesser und den Synthesebedingungen abhängt. In Verbindung mit den beobachteten optisch-spektroskopischen Eigenschaften wurde geschlussfolgert, dass sich eine farbstoffreiche Schicht an der Oberfläche der Partikel bildet, die sich wesentlich von den sterisch eingebauten Farbstoffmoleküle im Partikelvolumen unterscheidet. Hohe Farbstoffkonzentrationen in dieser Oberflächenschicht führen vermutlich zu Aggregation. Des Weiteren deuten Veränderungen der Fluoreszenzeigenschaften auf intrapartikuläre Energiewanderung bei zunehmender Farbstoffkonzentration hin. Diese Interpretation der experimentellen Ergebnisse konnte qualitativ durch einen Algorithmus zur Simulation der Energiewanderung bestätigt werden. Die Anwendbarkeit der Lumineszenzlebensdauer als Kodierungsparameter in der Zeitdomäne konnte unter Verwendung eines Durchflusszytometer-Prototypen analysiert werden. Die wohl größte Herausforderung bei der Lebensdauermessung in der Durchflusszytometrie ist die kurze Interaktionszeit zwischen Objekt und Anregungslicht. Synthetische Daten wurden herangezogen, um den Einfluss einzelner Messparameter und -bedingungen unabhängig voneinander abzuschätzen. Es konnte festgestellt werden, dass die Lumineszenzlebensdauer als Kodierungsparameter in der Zeitdomäne prinzipiell zugänglich ist. / This thesis comprises two main topics. First, the optical-spectroscopic properties of fluorescent microbeads loaded with organic dyes were studied. In the second part, the feasibility of time-domain luminescence lifetime encoding in flow cytometry based on such microbeads was assessed. The study of the dye-loaded polymer microbeads was based on optical spectroscopy. Poly(methyl methacrylate) beads loaded with rhodamine 6G were used as an example system to achieve a better understanding of the dye incorporation procedure. The dye loading efficiency turned out to be strongly dependent on the mean diameter of the beads and on the amounts of certain compounds used for the bead synthesis. In correlation with the observed fluorescence characteristics, it was deduced that a layer with high local dye concentration forms around each bead. The properties of this layer substantially differ from those of the sterically incorporated dye molecules in the bead core. The high dye concentration in this layer results in aggregation accompanied by the respective changes of the fluorescence characteristics of the beads. Moreover, the observed changes in fluorescence properties indicated the existence of an intra-particulate energy migration process at increased dye loading concentrations. A simulation of the energy migration process based on a random walk algorithm confirmed the interpretation of the experimental results. For the assessment of luminescence lifetime encoding in time-domain flow cytometry, a prototype setup was used. The main issue of lifetime determination in flow cytometry is represented by the short interaction time of only tens of microseconds of the objects with the excitation light spot. Synthetic data were used to study certain measurement parameters and conditions as well as the data analysis procedure independently of other influences. As a result, luminescence lifetime is generally applicable as an encoding parameter in time-domain flow cytometry.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung funktioneller Polymerpartikel und deren Nutzung für biomedizinische Applikationen. Die Anwendungsgebiete der resultierenden Hybridmaterialien reichen vom Einsatz als Kontrastmittel in bildgebenden Verfahren der medizinischen Diagnostik über die Verwendung als Antimikrobium bis hin zum Einsatz als „Werkzeug“ zur Zellisolierung und aktivierung. Dazu wurden kompakte Latexpartikel und sensitive, poröse Mikrogelpartikel mittels emulgatorfreier Heterophasenpolymerisation synthetisiert. Als funktionelles Monomer wurde Glycidylmethacrylat verwendet, über dessen reaktive Epoxygruppen anschließend weitere Moleküle angebunden werden können. Die Funktionalisierung der Polymerpartikel erfolgte einerseits mit anorganischen Nanopartikeln (dotierte Lanthanfluorid-Nanopartikel, Gold- und Silbernanopartikel) und andererseits mit Biomolekülen wie Nukleotiden und Antikörpern. Einige Verwendungsgebiete, wie die Stimulierung von Memory-T-Zellen mit Antikörper-Polymer-Konjugaten oder der Einsatz der Silberkomposite aufgrund ihrer antimikrobiellen Wirkung, wurden näher untersucht. / The aim of this work was the synthesis of functional polymeric particles and their use for biomedical purposes. The application areas of the resulting hybrid materials range from contrast agents in medical diagnostics and usage due to antimicrobial properties to “tools” for cell isolation and activation. Compact core-shell particles and porous microgel particles were prepared by surfactant-free heterophase polymerization in water. All particles contain glycidyl methacrylate whose epoxy groups are capable to bind other molecules covalently. On the one hand, polymeric particles were functionalized with inorganic nanoparticles (doped lanthanum fluoride nanoparticles, gold and silver nanopariticles) and on the other hand with biomolecules such as nucleotides and antibodies. Selected application fields like the stimulation of memory T-cells with polymer-antibody-conjugates or the use of the silver composites due to their antimicrobial activity were investigated in detail.