Adhesion between different objects is happening everywhere. Without it, simple procedures like walking or holding something in a hand or attaching a postage stamp would be impossible. The life itself depends on adhesion on all levels, starting from the interactions between the living cells. Adhesion between two substrates is a complex phenomenon, which at present is still not well understood. There are several factors determining the strength of adhesion: (i) molecular interactions at interface, (ii) mechanical properties of adhesive, and (iii) area of contact between adhesive and probing surface. Two surfaces are tacky when they possess the right balance between these factors. Controlling the adhesion of materials is important in many fields ranging from industrial purposes to biomedical applications and everyday usage. There is a demand for “smart” materials with integrated functionalities that make them responsive, switchable, biocompatible, anti-bacterial, more energy efficient, or autonomous. In particular, materials for such cutting-edge applications like cell culture, drug delivery, tissue engineering, biosensors, anti/biofouling, microfluidics, climbing robots, sport equipment and many others require adjustable/tuneable adhesive properties. Many efforts were directed towards fabrication of materials with either weak or strong adhesion depending on the field of application. However, design of “smart” surfaces with reversibly switchable/controllable adhesion is still a highly challenging task. Therefore, the thesis aims on design of smart polymeric materials with responsive / adaptive adhesion properties. For this, fabrication and investigation of two types of switchable polymer layers based on stimuli-responsive polymer brushes will be performed. The first group is dealing with thermoresponsive polymer brushes: poly-(N-isopropylacrylamide) and two types of biocompatible polyethylene glycol-based systems. These polymer layers undergo phase transition below and above LCST between hydrophilic and hydrophobic states. The second part of the work is related to solvent-responsive comb-like and block copolymer brushes consisted of hydrophilic PEG and hydrophobic PDMS biocompatible and biodegradable polymers.

Source de carbone la plus abondante du règne végétal et non concurrentielle de la chaîne alimentaire, la cellulose est une alternative aux ressources fossiles crédible pour le développement de nouveaux matériaux polymères. Néanmoins, à ce jour, les nombreux travaux décrits dans la littérature et visant la valorisation et la modification chimique de ce biopolymère fascinant ne répondent pas suffisamment, ou tout au moins que très partiellement, aux critères de durabilité. Pour répondre à ces critères de développement durable, le caractère renouvelable de la cellulose et les concepts de procédés propres et de chimie ‘verte’, doivent être réellement pris en compte. Ceci implique un choix réfléchi des solvants et réactifs utilisés, une maîtrise des procédés de modification chimique et bien évidemment une évaluation de la pertinence des produits formés, pour lesquels les propriétés obtenues doivent être innovantes et supérieures aux matériaux polymères existants. Cette thèse se divise en trois parties principales, à savoir la solubilisation, la régénération et la modification chimique de la cellulose. Tout au long de ce travail, une attention particulière a été portée sur la durabilité de sa transformation chimique pour viser l’élaboration de matériaux cellulosiques processables et aux propriétés innovantes. Dans la première partie de la thèse, un système composé d’un catalyseur organique nucléophile (DBU) et de CO2 a permis la dissolution rapide de la cellulose dans le DMSO. Une étude détaillée visant à optimiser le système DMSO-DBU-CO2 a été réalisée grâce à un suivi par spectroscopie infrarouge in situ. Ainsi, jusqu'à 8 % massique de cellulose ont pu être dissous en 15 minutes à 30 °C sous une faible pression de CO2 (2-5 bars). L’originalité de ce système commutable (fixation-relargage réversible du CO2), par comparaison aux autres solvants classiques de la cellulose, inclut une recyclabilité plus facile par simple dépressurisation du CO2 et une solubilisation rapide et douce, à plus bas coût, en comparaison aux systèmes utilisant les liquides ioniques. La mise en évidence de la création de fonctions carbonate par réaction avec différents composés électrophiles tels les halogénures d’alkyle a permis d’avoir une connaissance approfondie de ce système. L'optimisation réussie d'un système ‘propre’ permettant la dissolution de la cellulose nous a conduit à étudier sa régénération. Dans cet objectif, des aérogels de cellulose ont été préparés par un procédé de solubilisation, coagulation et lyophilisation. Différents paramètres ont été examinés tels la concentration en cellulose, le solvant de coagulation ou encore la nature et concentration en super-base (DBU-CO2), sur les propriétés des aérogels (densité, morphologie, taille des pores). Les résultats obtenus démontrent que des aérogels avec une densité entre 0.05 et 1,2 g/cm3, des porosités entre 92 et 97 % et des tailles de pore entre 1,1 et 4,5 μm ont été obtenus. Enfin, l’analyse des aérogels par microscopie électronique à balayage (SEM), a révélé la formation de réseaux de cellulose interconnectés et macroporeux. La modification chimique de la cellulose pour l’élaboration de matériaux processables aux propriétés innovantes fait l’objet de la troisième partie de la thèse. Cette partie est divisée en deux sous-parties: la dérivatisation de la cellulose par réaction de transestérification d’une part, et par réaction multi-composants, d’autre part. Dans la première sous-partie et gardant à l'esprit les principes de la chimie verte, la nature unique du système commutable DBU-CO2 amenant un changement d’hydrophilie du squelette cellulosique a permis l’utilisation directe de l’huile de tournesol pour la transestérification de la cellulose. [...] / As the most abundant source of carbon in our planet, without any competition with food or feed supplies, cellulose is a viable alternative to replace the widely used and unsustainable fossil-based polymers. However, the majority of researchers working on this fascinating biopolymer fail to incorporate sustainability considerations during cellulose chemical transformation to make materials. The consequence is a shift of the “environmental burden” to other stages of the process cycle. Therefore, to ensure sustainability, both the renewability feature of cellulose as well as sustainability considerations concerning its transformation processes are necessary. This implies to consider the solvent, the reactants, the derivatization process and the wastes produced as well as an evaluation of the suitability of the resultant products, for which relevant properties have to be obtained to compete with existing alternatives. This thesis is therefore divided into three main parts (solubilization, regeneration and derivatization of cellulose), and addresses the various concerns of sustainability during cellulose transformation with an end-goal of making processable materials.In the first part of the thesis, a sustainable solvent system for cellulose was investigated. In this regard, a detailed optimization study of the DBU-CO2 switchable solvent system was performed using in-situ infrared spectroscopy. Upon optimization, up to 8 wt.% cellulose could be dissolve within 15 min at 30 °C using low CO2 pressure (2-5 bar). What makes this solvent system sustainable, when compared to other classical cellulose solvents, includes: easier recyclability by simple release of the CO2 pressure, fast and mild solubilization and lower cost compared to ionic liquids. Finally, by successfully trapping the formed in-situ cellulose carbonate using an electrophile, a clearer understanding of this solvent system was established.The successful optimization of a sustainable solvent system for cellulose led to the second part of the thesis: the regeneration of cellulose. Here, the general solubilization and coagulation ways followed by freeze-drying was adopted to prepare cellulose aerogels. Various processing conditions such as cellulose concentration, coagulating solvent and super base, were investigated on their effect of the aerogels properties (density, morphology, pore size). The obtained results showed aerogels with densities between 0.05 and 1.2 g/cm3, porosities between 92 and 97 % and pore sizes between 1.1 and 4.5 μm. In addition, from scanning electron microscopy (SEM), open large macroporous inter-connected cellulose networks were observed.The derivatization of cellulose to make thermally processable materials is covered in the third part of the thesis. This part is divided into two sub-parts; transesterification and multicomponent reaction modification. [...] / Als Kohlenstoffquelle mit der größten Verfügbarkeit auf unserem Planeten, ohne Konkurrenz zur Lebens- und Futtermittelversorgung, stellt Cellulose eine interessante Alternative dar, um die vielfältig genutzten, nicht-nachhaltigen Polymere auf Erdölbasis zu ersetzen. Die Mehrheit der Forscher, die mit diesem faszinierenden Biopolymer arbeiten, vernachlässigt allerdings Überlegungen zur Nachhaltigkeit in die chemische Modifizierung von Cellulose bei der Herstellung von Materialien zu integrieren. Die Konsequenz dessen ist eine Verlagerung der Umweltbelastung auf andere Abschnitte des Prozess-Zyklus. Um Nachhaltigkeit sicherzustellen, sind deshalb sowohl der erneuerbare Aspekt von Cellulose als auch Überlegungen zur Nachhaltigkeit im Reaktionsprozess wichtig. Dies beinhaltet die Berücksichtigung des Lösungsmittels, die Reaktanden, des Derivatisierungsprozesses, die produzierten Abfälle sowie eine Beurteilung der Nachhaltigkeit der resultierenden Produkte, die relevante Eigenschaften aufweisen müssen um mit bestehenden Alternativen konkurrieren zu können. Diese Arbeit ist deshalb in drei Teile gegliedert (Löslichkeit, Rückgewinnung und Derivatisierung von Cellulose) und befasst sich mit den verschiedenen Aspekten der Nachhaltigkeit während der Umsetzung von Cellulose mit dem Ziel, verarbeitbare Materialien herzustellen.Im ersten Teil der Arbeit wurde ein nachhaltiges Lösungsmittelsystem für Cellulose untersucht. In diesem Zusammenhang wurde eine detaillierte Optimierungsstudie des DBU-CO2 schaltbaren Lösungsmittelsystems mittels in-situ Infrarot Spektroskopie durchgeführt. Nach der Optimierung konnten bis zu 8 Gew.-% Cellulose innerhalb von 15 min. bei 30°C und einem niedrigen CO2-Druck (2-5 bar) gelöst werden. Verglichen mit klassischen Lösungsmitteln für Cellulose weist dieses Lösungsmittelsystem verschiedene nachhaltige Aspekte auf: Einfaches Recycling durch entfernen des CO2-Drucks, schnelles und mildes Auflösen und geringere Kosten als ionische Flüssigkeiten. Durch erfolgreiches Abfangen des in-situ gebildeten Cellulose-Carbonats mit einem Elektrophil, konnte schließlich ein besseres Verständnis dieses Lösungsmittelsystems erreicht werden. Die erfolgreiche Optimierung eines Lösungsmittelsystems für Cellulose führte zum zweiten Teil der Arbeit: der Regenerierung von Cellulose. Hier wurde der bereits mit anderen Systemen beschriebene Weg von Lösen und Ausfällen, gefolgt von Gefriertrocknen übernommen, um Cellulose-Aerogele herzustellen. Verschiedene Bedingungen bei der Verarbeitung wie die Cellulose-Konzentration, Lösungsmittel zum Ausfällen und die Superbase und deren Effekt auf die Eigenschaften der Aerogele (Dichte, Morphologie und Porengröße) wurden untersucht. So wurden Aerogele mit einer Dichte von 0.05-1.20 g/cm3, Porositäten zwischen 92 und 97% und Porengrößen zwischen 1.1 und 4.5 μm erhalten. Zusätzlich wurden im Rasterelektronenmikroskop offene große und makroporöse, miteinander verbundene Cellulose-Netzwerke beobachtet. [...]

Die vorliegende Arbeit beschreibt das Verhalten von Polypeptid-Blockcopolymeren in der festen Phase und in selektiven Lösungsmitteln. Blockcopolymere auf Basis von Poly(L-glutaminsäure-5-benzylester) (PBLGlu) oder Poly(Nε-benzoyloxycarbonyl-L-lysin) (PZLLys), die in dieser Arbeit eingesetzt wurden, besitzen wegen ihrer helikalen Sekundärstruktur eine sog. Stäbchen-Knäuel-Geometrie, wobei die Knäuelkomponente Polystyrol oder Polybutadien ist. Die Phasenbildung dieser Blockcopolymere ist durch die Packungseigenschaften des rigiden Blocks beeinflusst. Es wurden bevorzugt lamellare Strukturen gebildet, in denen die Stäbchen parallel angeordnet sind. Das Vorhandensein eines permanenten Dipolmomentes führt zur Wechselwirkung zwischen den Helices und zur Erhöhung des Ordnungsgrades in der Phase. Ein zusätzlicher Parameter, der die Morphologie der Phase beeinflußt, ist die Chiralität der Peptidhelix, durch die chirale Überstrukturen induziert werden. In dünnen Filmen (40 nm), wo die Geometrie begrenzt ist, führt es zu Frustrationen in der Phase. Die dadurch entstandene Spannung wurde durch einen zick-zack-artigen Lamellenverlauf abgebaut. In selektiven Lösungsmitteln für die synthetische Komponente (PS) bilden die Polypeptid-Blockcopolymere vesikuläre Strukturen, deren kugel- oder wurmförmige Geometrie von der Elastizität der Membran abhängig ist. Durch Entfernung der Z-Schutzgruppe kann PZLLys in eine wasserlösliche Form überführt werden, so dass die PB-PLLys Blockcopolymere unter Bildung von Vesikeln in Wasser löslich sind. Dabei ist die Konformation des Peptids vom pH-Wert des Mediums abhängig und kann von einem Knäuel zu einer Helix reversibel geschaltet werden. Beim Modifizieren der Sekundärstruktur wurde eine Änderung der Aggregationszahl beobachtet. Somit können diese Blockcopolymere für die Herstellung von schaltbaren Aggregaten eingesetzt werden. / The presented work describes the behaviour of polypeptide-blockcopolymers in the solid-state and well as in selective solvents. Blockcopolymers consisting of PBLGlu or PZLLys / which have been utilized in this work, possess, because of their helical structure, a so-called Rod-Coil Geometry, where the coil component consists of polystyrene or polybutadiene. The phase morphology of these block copolymers is dominated by the packing properties of the rigid blocks. Most commonly, lamellar structures were formed, where the rods were ordered in a parallel fashion. The presence of a permanent dipole moment leads to an interaction between the helices and to an increase in the degree of order within the phase. An additional parameter that influences the phase morphology is the chirality of the peptide helix, which induces the formation of chiral superstructures. In thin films (40 nm), where the geometry is limited, a disordering within the phase is observed. The resulting tension leads to the formation of a zig-zag lamellar pattern. In selective solvents of the synthetic component (PS) of the blockcopolymer, formation of vesicular structures are observed, with spherical or worm-like geometry, depending on the elasticity of the membrane. Through removal of the z-protective groups, PZLLys becomes soluble in water, through the formation of PB-PLLys blockcopolymer vesicles. The conformation of the peptide is dependent on the pH value of the medium and can be reversibly changed from a coil to a helix structure. Through modification of the secondary structure, a change in the aggregation number is observed. Thereby, these blockcopolymers may find application in the fabrication of switchable aggregates.

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Switching of surface composition and morphology of binary polymer brushes in response to changes in solvent selectivity, heating above glass transition temperatures, and contact with a rubbery stamp was studied. The binary brushes: polystyrene/poly(2-vinyl pyridine) (PS/P2VP), poly(styrene-co-2,3,4,5,6-pentafluorostyrene)/poly(methyl (meth)acrylate) (PSF/P(M)MA), and PS/PMMA were synthesized via two-step surface-initiated radical polymerization. Wetting experiments show that switching of brushes? surface composition upon exposure to solvents of various thermodynamic quality occurs faster than in 6 s. It takes longer time (5-10 min), if rate of solvent diffusion into the brush film is low. Discontinuous switching of surface composition of binary brushes is found upon exposure to binary solvents with gradually changed selectivity. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) shows quantitatively that the top brush layer (1) is dominated by respective favourite polymers after exposure to solvents of opposite selectivity and (2) comprises both brush constituents in almost symmetric ratio after exposure to non-selective solvents. Morphologies of binary brushes obtained after exposure to the solvents were studied with Atomic Force Microscopy (AFM). Local top layer composition was sensed with X-ray Photoemission Electron Microscopy (XPEEM). The morphologies are relevant to the particular solvents, reproducible, and independent on previous solvents. Phase segregation beneath the brush top layers was visualized with plasma etching. Qualitative agreement of the experimentally observed morphologies and predicted with self-consistent field theory is found. Enrichment of a binary brush top layer with the polymer providing lower surface energy takes place after annealing. Perpendicular segregation of binary brush constituents was sensed with XPEEM on perpendicular walls of imprinted elevations after wet microcontact printing.

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Switching of surface composition and morphology of binary polymer brushes in response to changes in solvent selectivity, heating above glass transition temperatures, and contact with a rubbery stamp was studied. The binary brushes: polystyrene/poly(2-vinyl pyridine) (PS/P2VP), poly(styrene-co-2,3,4,5,6-pentafluorostyrene)/poly(methyl (meth)acrylate) (PSF/P(M)MA), and PS/PMMA were synthesized via two-step surface-initiated radical polymerization. Wetting experiments show that switching of brushes? surface composition upon exposure to solvents of various thermodynamic quality occurs faster than in 6 s. It takes longer time (5-10 min), if rate of solvent diffusion into the brush film is low. Discontinuous switching of surface composition of binary brushes is found upon exposure to binary solvents with gradually changed selectivity. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) shows quantitatively that the top brush layer (1) is dominated by respective favourite polymers after exposure to solvents of opposite selectivity and (2) comprises both brush constituents in almost symmetric ratio after exposure to non-selective solvents. Morphologies of binary brushes obtained after exposure to the solvents were studied with Atomic Force Microscopy (AFM). Local top layer composition was sensed with X-ray Photoemission Electron Microscopy (XPEEM). The morphologies are relevant to the particular solvents, reproducible, and independent on previous solvents. Phase segregation beneath the brush top layers was visualized with plasma etching. Qualitative agreement of the experimentally observed morphologies and predicted with self-consistent field theory is found. Enrichment of a binary brush top layer with the polymer providing lower surface energy takes place after annealing. Perpendicular segregation of binary brush constituents was sensed with XPEEM on perpendicular walls of imprinted elevations after wet microcontact printing.