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.

Tato dizertační práce se zabývá studiem morfogeneze dimethakrylátových sítí. V práci byly využity zjednodušené systémy založené na monomerech, které bývají typicky využívány jako složky matric pryskyřičných kompozitních materiálů využívaných v oblasti záchovné stomatologie. Kinetika a mechanismy formování polymerních sítí byly studovány především s ohledem na strukturu jednotlivých monomerů, jejich vzájemný molární poměr a koncentraci iniciačního systému využitého pro radikálovou polymeraci. Vypočtené profily konverze funkčních skupin a reakčních rychlostí byly využity jako základ pro pochopení a interpretaci mechanismů morfogeneze sítí a porovnání se známými modely. Dále byla studována kinetika termické degradace, která je s morfologií vytvrzených sítí přímo spjata. V rámci takto charakterizovaných systémů byla stanovena teplotní závislost dynamického modulu a byl popsán vztah mezi supra-molekulární strukturou dimethakrylátových sítí a jejich viskoelastickou odezvou v daném teplotním rozmezí. Kinetika polymerace byla studována pomocí diferenční kompenzační foto-kalorimetrie (DPC) a infračervené spektroskopie (FTIR). Proces termické degradace byl analyzován pomocí termo-gravimetrické analýzy (TGA). Viskoelastické parametry byly charakterizovány pomocí dynamicko-mechanické analýzy (DMA). Reaktivita jednotlivých systémů je přímo odvozena od molekulární struktury monomerů, která ovlivňuje mobilitu reagujících složek v průběhu polymerace. Kinetika polymerace je řízena především difúzí, přičemž její rychlost je dána tuhostí monomerní páteře, koncentrací funkčních skupin a vlivem fyzikálních interakcí. Omezená mobilita rostoucích řetězců, postranních funkčních skupin i samotných monomerů vede k monomolekulární terminaci makro-radikálů a omezení stupně konverze funkčních skupin. Vzhledem k tomu, že k zásadnímu omezení mobility dochází již v počáteční fázi polymerace, tj. v bodu gelace, je případná termodynamická nestabilita vedoucí k fázové separaci polymerujícího systému potlačena a proces kopolymerace je ve své podstatě náhodný. To bylo prokázáno i prostřednictvím identifikace jedné teploty skelného přechodu u charakterizovaných kopolymerů. Heterogenní charakter morfogeneze je spjat s rozdílnou reaktivitou postranních funkčních skupin. V počátečních fázích polymerace dochází k propagaci reakcí postranní funkční skupiny s radikálem na stejném rostoucím řetězci, což vede ke vzniku tzv. primárního cyklu. Pravděpodobnost cyklizace souvisí především s flexibilitou monomerní páteře. Heterogenita polymerace je charakterizována vznikem vnitřně zesítěných struktur, tzv. mikrogelů, a jejich následným spojováním. Tuhost monomeru naopak přispívá k vyšší efektivitě zesítění a více homogenní morfologii vytvrzené sítě. Heterogenita dimethakrylátových sítí se odráží v mechanismu termické degradace, přičemž přítomnost strukturně odlišných domén vede k rozkladu ve dvou krocích. Průběh soufázového modulu a teplota skelného přechodu korelují s tuhostí polymerních sítí, efektivitou zesítění a přítomností fyzikálních interakcí, které vyztužují strukturu sítě nad rámec kovalentního zesítění. Heterogenní morfologie sítí se projevuje rozšiřováním spektra relaxačních časů. Experimentální data jsou v kvalitativní shodě s existujícími numerickými modely popisujícími kinetiku radikálové polymerace multifunkčních monomerů.

This diploma thesis deals with a detailed study of photoinitiated radical polymerization of macromers base on PVAl containing lateral GMA moieties. The main goal is the evaluation of the influence of photoinitiator concentration, polymerisable group content and/or other aditives on the polymerisation rate. Other goals include the study of possible influencing the photochemical speed by lowering the glass transition temperature, compatibility with various photoinitiators etc. Attention is also paid to the study of prepared 3D polymeric networks properties

D’après l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), les maladies cardiovasculaires (CVDs) sont la cause majeure de morbidité et de mortalité dans le monde. Dans un contexte où les thérapies non chirurgicales impliquent une administration de molécules actives à hautes doses, limiter les effets secondaires et augmenter l’efficacité thérapeutique est un enjeu majeur. Une possible réponse à cette problématique est l’utilisation de nanoparticules polymères encapsulant des molécules actives. Pour des applications de délivrance de principe actif et/ou de génie tissulaire, les polymères utilisés doivent suivre certains critères : (i) la biodégradabilité ; (ii) la biocompatibilité ; (iii) l’uniformité des chaînes polymères et (iv) une fonctionnalisation aisée par les molécules d’intérêt. Dans ce contexte, des copolymères dégradables obtenus par polymérisation radicalaire par ouverture de cycle (rROP) entre les acétals de cétène cyclique (CKAs) et des monomères vinyliques semblent satisfaire à ces critères. En effet, les CKAs sont des monomères cycliques qui s’ouvrent par voie radicalaire et permettent la formation de fonctions esters dans le squelette polymère au cours de la polymérisation. Hormis les CKAs bien connus (e.g., 2-methylene-1,3-dioxepane (MDO), et 2-methylene-4-phenyl-1,3-dioxolane (MPDL)), un besoin de nouveaux CKAs plus hydrophiles et/ou avec de nouvelles fonctionnalités est récemment apparu. Par conséquent la synthèse de nouveaux CKAs a été étudiée.Par ailleurs, les calculs par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont démontré que la copolymérisation radicalaire du MDO avec des dérivés d’éther de vinyle (VE) était quasi idéale, ce qui fut par la suite confirmé expérimentalement. Ainsi, ce système a permis l’obtention via un mécanisme radicalaire de copolymères similaires à des polyesters, en particulier à la polycaprolactone (PCL), hautement fonctionnels via l’utilisation de divers VE. La dégradation hydrolytique des P(MDO-co-VE) ainsi obtenus a été étudiée en conditions accélérées et physiologiques. Les copolymères ont montré une vitesse de dégradation dépendant du taux de MDO et de la nature du VE. L’hydrolyse en conditions physiologiques des P(MDO-co-VE) a donné des taux de dégradation comparables à ceux obtenus pour l’acide polylactique (PLA) et la PCL, tous deux approuvés par l’agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux (FDA). La dégradation enzymatique assistée par les lipases Candida antartica a également été étudiée, donnant une dégradation quasi complète des copolymères en 48 h. En plus d’être biodégradables, l’avantage des P(MDO-co-VE) est que les fonctions portées par les VE ont permis une fonctionnalisation aisée des copolymères via le greffage de petites molécules ou des macromolécules telles que des chaînes de poly(éthylène glycol) (PEG) ; soit après polymérisation (approche “grafting to”) soit avant polymérisation (approche “grafting through”). Les propriétés physico-chimiques ont pu être finement ajustées, permettant ainsi la formulation de nanoparticules stables convenant à des applications de délivrance de principes actifs. / According to the World Health Organization (WHO), cardiovascular diseases (CVDs) are the major cause of morbidity and mortality in the world. In a context where non-surgical therapy involves active molecules administration at high doses, circumventing possible toxic side effects and increasing the therapeutic effect is a major challenge. Thus, the use of drug-loaded polymeric nanoparticles may represent a potential solution to this problem. For drug delivery and/or tissue engineering applications, polymers should follow some criteria: (i) biodegradability; (ii) biocompatibility; (iii) uniformity of the polymer chain and (iv) possibility of functionalization with molecules of interest. As such, degradable copolymers were obtained by radical ring-opening copolymerization (rROP) between cyclic ketene acetals (CKAs) and vinylic monomers and fulfilled all those criteria. Indeed, CKAs are cyclic monomers which open through a radical mechanism and give degradable ester functions in the polymer backbone upon polymerization. Besides well-known CKAs (e.g., 2-methylene-1,3-dioxepane (MDO), and 2-methylene-4-phenyl-1,3-dioxolane (MPDL)), a crucial need for new CKAs that would be more hydrophilic and/or with new functionalities has recently emerged. Therefore, synthesis of new CKAs was investigated.In addition, the rROP of MDO and vinyl ether (VE) derivatives was predicted to be quasi-ideal by Density Functional Theory (DFT) calculations and subsequently confirmed experimentally. Thus, this system gave the opportunity to obtain polyester-like copolymers, especially polycaprolactone-like polymers, highly functional from the use of functional VE derivatives. Hydrolytic degradation of the resulting P(MDO-co-VE) was investigated under accelerated and physiological conditions. Copolymers showed tunable degradation rate as a function of the MDO content and of the nature of the VE. Hydrolysis in physiological conditions of P(MDO-co-VE) copolymers led to a degradation rate comprised between those obtained for polylactide (PLA) and PCL, both approved by the Food and Drug Administration (FDA). Enzymatic degradation by lipases Candida antartica was also studied, leading to nearly complete degradation in 48 h. In addition to be hydrolytically and enzymatically degradable, a strong advantage of P(MDO-co-VE) copolymers rely in their easiness of functionalization via the use of various VE moieties, leading to efficient grafting by small molecules or macromolecules such as poly(ethylene glycol) (PEG) chains; either after polymerization (“grafting to” approach) or before polymerization (“grafting through” approach). Physicochemical properties were finely tuned enabling the formulation of stable nanoparticles suitable for drug delivery purpose.

A ce jour, le développement de textiles intelligents, de peaux artificielles, de capteurs de paramètres environnementaux et de composés optoélectroniques souples ; qui nécessite des innovations à la fois dans la synthèse des matériaux, leur conception mécanique mais aussi, à l’échelle industrielle, en stratégie de production ; présente un intérêt majeur dans le domaine du prêt-à-porter connecté. D’un point de vue mécanique, l’obtention des propriétés de flexibilité et d’étirabilité à faible coût, via un procédé simple, au sein d’un matériau léger et capable de s’expandre sur de grandes surfaces est un prérequis essentiel pour incorporer des dispositifs optoélectroniques au sein des objets connectés portables. Parmi les différents procédés couramment utilisés, l’electrospinning est une technique simple, facilement adaptable et peu onéreuse qui permet un ajustement fin et flexible des morphologies de fibres, l’assemblage de plusieurs nanofibres fonctionnelles et une production en continue à haut débit. Ces multiples avantages sont à l’origine des nombreux travaux concernant l’utilisation de l’electrospinning dans le domaine du prêt-à-porter électronique et/ou connecté. Cependant, il est nécessaire de développer des projets innovants pour ce secteur qui incluent des capteurs détectant des paramètres environnementaux (pH, température), des chemo-capteurs colorimétriques à large spectre (full-color), des composantes électroniques étirables et capteurs tactiles. / To date, the development of smart textiles, artificial skins, environmental sensory devices, and flexible/stretchable optoelectronics involve the innovation of material synthesis, mechanical design, and fabrication strategies have attracted considerable attention in wearable displays. The mechanically flexible and stretchable functions with cost-effective, facile, lightweight, and large-area expandability are essential modules to fabricate the optoelectronic devices in various wearable display applications. Among them, electrospinning is an easy, versatile, and inexpensive technique enables flexible morphology tuning, assembling various functional nanofibers, and high-throughput continuous production has motivated extensive studies on wearable electronics applications. Therefore, it is necessary to develop innovative projects including the environment-sensing elements with pH-sensing dependency, temperature-sensitive, full-color switchable chemosensors, stretchable electronics, and tactile sensors for various wearable electronics applications.

Composite materials formed from two or more functionally different materials offer a versatile avenue to create a tailored material with well defined traits. Within this dissertation research, multi-functional composites were synthesized based on organic and inorganic materials. The functionally of these composites was experimentally tested and a semi-empirical model describing the sedimentation behavior of these particles was developed. This first objective involved the fabrication of microcomposites consisting of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles confined within porous, microgels of a thermo-responsive polymer for use in the photocatalytic treatment of wastewater. TiO2 has been shown to be an excellent photocatalyst with potential applications in advanced oxidative processes such as wastewater remediation. Upon UV irradiation, short-lived electron-hole pairs are generated, which produce oxidative species that degrade simple organic contaminants. The rapid sedimentation of these microcomposites provided an easy gravimetric separation after remediation. Methyl orange was used as a model organic contaminant to investigate the kinetics of photodegradation under a range of concentrations and pH conditions. Although after prolonged periods of UV irradiation (~8-13 hrs), the titania-microgels also degrade, regeneration of the microcomposites was straightforward via the addition of polymer microgels with no loss in photocatalytic activity of the reformed microcomposites. The second objective within this dissertation involved the systematic development of abrasive microcomposite particles containing well dispersed nanoparticles of ceria in an organic/inorganic hybrid polymeric particle for use in chemical mechanical polishing/planarization (CMP). A challenge in IC fabrication involves the defect-free planarization of silicon oxide films for successful multi-layer deposition. Planarization studies conducted with the microcomposites prepared in this research, yield very smooth, planar surfaces with removal rates that rival those of inorganic oxides slurries typically used in industry. The density and size of these ceria-microgel particles could be controlled by varying the temperature or composition during synthesis, leading to softer or harder polishing when desired.

Photoinduced atom transfer radical polymerization (ATRP) was achieved using a simple household fluorescent lamp as the light source. In solution, methyl methacrylate could be polymerized to welldefined polymers; the photoinduced ATRP system did only convert monomers during irradiation and was inactive in the dark. In situ monitoring by UV-vis spectroscopy revealed the photoredox cycle between Cuᶦᶦ and Cuᶦ species. The linear development of the polymer number average molar mass with monomer conversion, the low dispersity as well as chain extension experiments showed the controlled nature of the polymerization. Photoinduced ATRP was also used to prepare homo- and block copolymer brushes and patterned brushes on surfaces by photoinduced surface-initiated ATRP (PSI-ATRP).

Sensitive layers for optical biosensors and protein chips The goal of this thesis was the development of sensitive surfaces for optical affinity biosensors detecting in complex biological media. The practical application of these surface-based technologies has been hampered by protein fouling from biological media, in particular blood plasma, where the vast majority of relevant analytes are present. The work of the thesis was centred in three main foci:  Design and preparation of antifouling and non-fouling surfaces  Evaluation and conceptualisation of their resistance to fouling from blood plasma and serum as well as other biological fluids  Preparation of sensitive layers for detection in complex biological media Three approaches were used to prepare protein resistance surfaces, i) ω-functional self-assembled monolayers (SAM), ii) end-tethered polymers and iii) polymer brushes prepared by surface initiated controlled radical polymerisation. Investigation of proteins in the blood plasma deposits on PEG- based surfaces revealed that some fouling is unavoidable in PEG-based surface modifications. A novel type of non-fouling polymer brushes based on poly[N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide] challenged the accepted ideas for the design of protein resistant surfaces. For the first time a...

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...

Fullerenhaltige Bulk-Heterojunction-Solarzellen auf Polymerbasis zeigen derzeit eine geringe Langzeitstabilität, die unter anderem auf der Entmischung der Bulkphasen beruht. In dieser Arbeit wurden daher auf neuartige Weise Blockcopolymere entwickelt, die zur Stabilisierung der Phasen dienen können. Ausgehend von Poly-3-hexylthiophen-Makroinitiatoren wurde ein zweiter Block mit reaktivem Comonomer polymerisiert, das zur Anbindung von reinem Fullerens bzw. von Fullerenderivaten diente. Die fullerenfunktionalisierten Polymere wurden in Modell-Systeme eingemischt und zeigten erste Verbesserungen bezüglich der Phasenstabilisierung.:1 Einleitung und Zielstellung 2 Grundlagen 2.1 Polymere Solarzellen 2.1.1 Theoretische Grundlagen und Funktionsweise 2.1.2 Materialien und Materialoptimierung 2.1.3 Stabilisierung der Blendmorphologien 2.2 Blockcopolymere – Eigenschaften und Aufbau 2.2.1 Kontrolliert radikalische Polymerisationen 2.2.2 Kumada-Catalyst Transfer Polycondensation 2.3 Fullerene – Eigenschaften und Funktionalisierung 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Darstellung von Akzeptor-Polymeren 3.1.1 Synthese der Copolymere 3.1.2 Bingel-Reaktion 3.1.3 Polymeranaloge Reaktionen und Anbindung von Fullerenen an Copolymere 3.2 Synthesen von Donor-Akzeptor-Blockcopolymeren 3.2.1 Synthese und Charakterisierung des Makroinitiators und der Blockcopolymere 3.2.2 Polymeranaloge Reaktionen an Blockcopolymeren 3.3 Charakterisierung der Eigenschaften von Donor-Akzeptor-Blockcopolymeren in Blends 3.3.1 Blends mit fullerenhaltigen Blockcopolymeren 3.3.2 Blends mit azidfunktionalisiertem Blockcopolymer 3.3.3 Solarzellen-Tests 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Verwendete Chemikalien und Reagenzien 5.2 Geräte und Hilfsmittel 5.3 Synthesen niedermolekularer Verbindungen 5.4 Polymersynthesen 5.5 Polymeranaloge Reaktionen 6 Literaturverzeichnis Anhang