New chain transfer agents based on dithiobenzoate and trithiocarbonate for free radical polymerization via Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer (RAFT) were synthesized. The new compounds bear permanently hydrophilic sulfonate moieties which provide solubility in water independent of the pH. One of them bears a fluorophore, enabling unsymmetrical double end group labelling as well as the preparation of fluorescent labeled polymers. Their stability against hydrolysis in water was studied, and compared with the most frequently employed water-soluble RAFT agent 4-cyano-4-thiobenzoylsulfanylpentanoic acid dithiobenzoate, using UV-Vis and 1H-NMR spectroscopy. An improved resistance to hydrolysis was found for the new RAFT agents, providing good stabilities in the pH range between 1 and 8, and up to temperatures of 70°C. Subsequently, a series of non-ionic, anionic and cationic water-soluble monomers were polymerized via RAFT in water. In these experiments, polymerizations were conducted either at 48°C or 55°C, that are lower than the conventionally employed temperatures (>60°C) for RAFT in organic solvents, in order to minimize hydrolysis of the active chain ends (e.g. dithioester and trithiocarbonate), and thus to obtain good control over the polymerization. Under these conditions, controlled polymerization in aqueous solution was possible with styrenic, acrylic and methacrylic monomers: molar masses increase with conversion, polydispersities are low, and the degree of end group functionalization is high. But polymerizations of methacrylamides were slow at temperatures below 60°C, and showed only moderate control. The RAFT process in water was also proved to be a powerful method to synthesize di- and triblock copolymers including the preparation of functional polymers with complex structure, such as amphiphilic and stimuli-sensitive block copolymers. These include polymers containing one or even two stimuli-sensitive hydrophilic blocks. The hydrophilic character of a single or of several blocks was switched by changing the pH, the temperature or the salt content, to demonstrate the variability of the molecular designs suited for stimuli-sensitive polymeric amphiphiles, and to exemplify the concept of multiple-sensitive systems. Furthermore, stable colloidal block ionomer complexes were prepared by mixing anionic surfactants in aqueous media with a double hydrophilic block copolymer synthesized via RAFT in water. The block copolymer is composed of a noncharged hydrophilic block based on polyethyleneglycol and a cationic block. The complexes prepared with perfluoro decanoate were found so stable that they even withstand dialysis; notably they do not denaturate proteins. So, they are potentially useful for biomedical applications in vivo. / Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue Kettenübertragungs Agenzien, basierend auf Dithiobenzoat- und Trithiocarbonatderivaten zu synthetisieren, welche in der "Reversiblen Additions-Fragmentierungs Kettenübertragungs-Polymerisation" (RAFT) eingesetzt werden können. Die neu synthetisierten Verbindungen zeichnen sich durch permanent hydrophile Sulfonatgruppen aus, welche eine pH-unabhängige Löslichkeit in Wasser ermöglichen. Eine dieser Verbindungen trägt ein Fluorophore, wodurch eine asymmetrische doppelte Endgruppenmarkierung sowie die Herstellung von Fluoreszenzmarkierten Polymeren möglich ist. Die Hydrolysestabilität dieser Verbindungen in wässriger Lösung im Vergleich mit dem z. Zeit bekanntesten wasserlöslichen RAFT Agenz (4-Cyano-4-thiobenzoylsulfanylpentansäuredithiobenzoate) wurde unter Anwendung spektroskopischer Methoden (UV-Vis, 1H-NMR) untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass diese neue Verbindungen deutlich bessere Hydrolysestabiltäten im pH-Bereich von 1-8 und bis zu einer Temperatur von 70°C besitzen. Die neuen RAFT-Verbindungen wurden ebenfalls bezgl. Ihrer Eignung in der Polymerisation von wasserlöslichen nichtionischen, anionischen und kationischen Monomeren in wässrigem Medium bei 48°C und 55°C getestet. Unter diesen Bedingungen konnten Vinylverbindungen wie z. B. Styrenderivate. Acrylate und Methacrylate kontrolliert polymerisiert werden: Die Molmasse stieg mit dem Umsatz, die Polydispersitäten waren niedrig und die isolierten Polymere zeigten Grad an Endgruppenfunktionalität. Bei der Polymerisation von Methacrylamiden wurde bei Polymerisationstemperaturen unter 60°C nur eine mäßige Kontrolle gefunden. <br><br> Es konnte weiterhin die RAFT Polymerisation in Wasser als leistungsstarke Methode zur Herstellung definierter Di- und Triblockcopolymere, einschließlich der Synthese von funktionalen Polymeren mit komplexer Struktur – beispielsweise amphiphiler- und schaltbare (stimuli responsive) Blockcopolymere entwickelt werden. Dies beinhaltet auch Polymere, die einen oder zwei schaltbare hydrophile Polymerblöcke enthalten. Der hydrophile Eigenschaft eines oder mehrer Blöcke kann durch äußere Reize wie pH-Änderung, Temperatur oder Salzgehalt geändert werden. Diese Beispiele demonstrierten die Variabilität des für schaltbare Polyamphiphile notwendigen Designs und zeigten exemplarisch das Konzept für multi-sensitive Systeme.

<p>Multifunctional drug delivery systems incorporated with stimuli-sensitive drug release, magnetic nanoparticles and magnetic resonance (MR) <em>T</em>₂ contrast agents is attracting increasing attention recently. In this thesis, works on polymer nanospheres response to temperature change, superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION)/polymeric composite materials for MR imaging contrast agents are summarized.</p><p>A “shell-in-shell” polymeric structure has been constructed through a “modified double-emulsion method”. Thermosensitive inner shell is comprised of poly(<em>N</em>-isopropylacrylamide) which undergoes phase transition at body temperature. Such a feature could facilitate drug release at an elevated temperature upon administration. Furthermore, the dual-shell structure is covered by a layer of gold nanoparticles. According to the cytotoxicity tests, the biocompatibility is shown to be enhanced due to the layer of gold.</p><p>SPION have been prepared using a high temperature decomposition method. Particle growth of SPION is monitored by transmission electron microscope and synchrotron X-ray diffraction. Poly(L,L-lactide)@SPION (PLLA@SPION) composite particles have been prepared through surface-initiated ring-opening polymerization which has been developed in our lab. For biomedical applications, it is essential to transfer the particles to physiological solutions from organic solutions. Phase transfer of SPION has been carried out by utilizing small molecules. Stability at the neutral pH is of large concern for such transfer systems. A novel phase transfer agent, Pluronic F127 (PF127), a triblock copolymer has been applied and the stability of the aqueous PF127@oleic acid (OA)@SPION solution has been greatly enhanced over a broad pH range. Most interestingly, PF127@OA@SPION show remarkable efficacy as T2 contrast agents as indicated by relaxometric measurements compared with commercially available products.</p>

Multifunctional drug delivery systems incorporated with stimuli-sensitive drug release, magnetic nanoparticles and magnetic resonance (MR) T2 contrast agents is attracting increasing attention recently. In this thesis, works on polymer nanospheres response to temperature change, superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION)/polymeric composite materials for MR imaging contrast agents are summarized. A “shell-in-shell” polymeric structure has been constructed through a “modified double-emulsion method”. Thermosensitive inner shell is comprised of poly(N-isopropylacrylamide) which undergoes phase transition at body temperature. Such a feature could facilitate drug release at an elevated temperature upon administration. Furthermore, the dual-shell structure is covered by a layer of gold nanoparticles. According to the cytotoxicity tests, the biocompatibility is shown to be enhanced due to the layer of gold. SPION have been prepared using a high temperature decomposition method. Particle growth of SPION is monitored by transmission electron microscope and synchrotron X-ray diffraction. Poly(L,L-lactide)@SPION (PLLA@SPION) composite particles have been prepared through surface-initiated ring-opening polymerization which has been developed in our lab. For biomedical applications, it is essential to transfer the particles to physiological solutions from organic solutions. Phase transfer of SPION has been carried out by utilizing small molecules. Stability at the neutral pH is of large concern for such transfer systems. A novel phase transfer agent, Pluronic F127 (PF127), a triblock copolymer has been applied and the stability of the aqueous PF127@oleic acid (OA)@SPION solution has been greatly enhanced over a broad pH range. Most interestingly, PF127@OA@SPION show remarkable efficacy as T2 contrast agents as indicated by relaxometric measurements compared with commercially available products. / QC 20101115

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 &amp;quot;Atom Transfer Radical Polymerization&amp;quot; (ATRP) hergestellt. Die Umsetzung der durch &amp;quot;Nitroxide Mediated Radical Polymerization&amp;quot; (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 &amp;quot;Surface Plasmon Resonance&amp;quot;-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.

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 &amp;quot;Atom Transfer Radical Polymerization&amp;quot; (ATRP) hergestellt. Die Umsetzung der durch &amp;quot;Nitroxide Mediated Radical Polymerization&amp;quot; (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 &amp;quot;Surface Plasmon Resonance&amp;quot;-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.

Aufgrund der zunehmenden technischen Ansprüche der Gesellschaft sind sich aktiv bewegende Polymere in den Mittelpunkt aktueller Forschung gerückt. Diese spielen bei Anwen-dungen im Bereich von künstlichen Muskeln und Implantaten für die minimal invasive Chirurgie eine wichtige Rolle. Vor allem Formänderungs- und Formgedächtnispolymere stehen dabei im wissenschaftlichen Fokus. Während die kontaktlose Deformation einer permanenten Form in eine temporäre metastabile Form, charakteristisch für Formände-rungspolymere ist, kann bei Formgedächtnis-Materialien die temporäre Form, aufgrund der Ausbildung reversibler, temporärer Netzpunkte, fixiert werden. Ein Polymermaterial, das eine Kombination beider Funktionen aufweist würde zu einem Material führen welches kontaktlos in eine temporäre Form deformiert und in dieser fixiert werden kann. Zusätzlich würde aufgrund der kontaktlosen Deformation die Reversibilität dieser Funktion gewähr-leistet sein. Ein solches Material ist bislang noch nicht beschrieben worden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob durch die Kopplung zweier separat schaltbarer, be-kannter Funktionen eine neue schaltbare Funktion erzielt werden kann. Daher wurden multi-stimuli sensitive Materialien entwickelt die eine Kopplung des Formänderungs- und des Formgedächtniseffektes aufweisen. Dazu wurden zwei Konzepte entwickelt, die sich hinsichtlich der Reihenfolge der verwendeten Stimuli unterscheiden. Im ersten Konzept wurden flüssigkristalline Elastomere basie-rend auf Azobenzenderivaten aufgebaut und hinsichtlich der Kombination des licht-induzierten Formänderungseffektes mit dem thermisch-induzierten Formgedächtniseffekt untersucht. Diese orientierten Netzwerke weisen oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) eine kontaktlose Verformung (Biegung) durch Bestrahlung mit UV-Licht des geeigneten Wellenlängenbereichs auf, wodurch eine temporäre Form erhalten wurde. Hierbei spielt der Vernetzungsgrad eine entscheidende Rolle bezüglich der Ausprägung dieser Biegung. Eine fixierte, temporäre Form konnte durch gleichzeitiges Abkühlen des Materials unterhalb von Tg während der Bestrahlung mit UV-Licht erhalten werden. Nach erneutem Aufheizen über Tg konnte die Originalform wiederhergestellt werden. Dieser Vorgang konnte reversibel durchgeführt werden. Damit wurde gezeigt, dass eine neue schaltbare Funktion erzielt wurde, die auf der Kopplung des lichtinduzierten Formänderungs- mit dem thermisch-induzierten Formgedächtniseffekt basiert. Die Abstimmung der einzelnen Funktion wird in diesem Konzept über die Morphologie des Systems gewährleistet. Diese neue Funktion ermöglicht eine kontaktlose Deformation des Materials in eine temporäre Form, welche fixiert werden kann. Im zweiten Konzept wurde eine Kopplung des thermisch induzierten Formänderungs- mit dem licht-induzierten Formgedächtniseffekt angestrebt. Um dies zu realisieren wurden nematisch, flüssigkristalline Hauptkettenelastomere (NMC-LCE) entwickelt, die eine nied-rige Übergangstemperatur der nematischen in die isotrope Phase (TNI), als auch einen aus-geprägten thermisch induzierten Formänderungseffekt aufweisen. Zusätzlich wurde eine photosensitive Schicht aufgebaut, die Cinnamylidenessigsäuregruppen in der Seitenkette eines Polysiloxanrückgrates aufweist. Die Reversibilität der photoinduzierten [2+2]-Cycloaddition konnte für dieses photosensitive Polymer beobachtet werden, wodurch die-ses Polymersystem in der Lage ist reversible temporäre Netzpunkte, aufgrund der Bestrah-lung mit UV-Licht, auszubilden. Die kovalente Anbindung der photosensitiven Schicht an die Oberfläche des flüssigkristallinen Kerns wurde erfolgreich durchgeführt, wodurch ein Multi-Komponenten-System aufgebaut wurde. Die Kombination des thermisch-induzierten Formänderungs- mit dem licht-induzierten Formgedächtniseffektes wurde anhand dieses Systems untersucht. Während die Einzelkomponenten die erforderliche Funktion zeigten, ist hier noch Arbeit in der Abstimmung beider Strukturen zu leisten. Insbesondere die Variation der Schichtdicken beider Komponenten steht im Fokus zukünftiger Arbeiten. In dieser Arbeit wurde durch die Kopplung von zwei separat schaltbaren, bekannten Funktionen eine neue schaltbare Funktion erzielt. Dies setzt voraus, dass die Einzelkomponenten hinsichtlich einer Funktion schaltbar sind und in einem Material integriert werden können. Des Weiteren müssen die beiden Funktionen mit unterschiedlichen Stimuli geschaltet werden. Ein wichtiger Schritt bei der Kopplung der Funktionen, ist die Abstimmung der beiden Komponenten. Dies kann über die Variation der Morphologie oder der Struktur erzielt werden. Anhand der Vielzahl der vorhandenen stimuli-sensitiven Materialien sind verschiedene Kopplungsmöglichkeiten vorhanden. Demnach wird erwartet, dass auf diesem Gebiet weitere neue Funktionen erzielt werden können. / Actively moving polymers are high scientific significance due to their ability to move actively in response to an external stimulus. Most notably shape-change and shape-memory polymers are in the focus of current research. Shape-changing polymers exhibit a non-contact deformation from a permanent into a temporary shape, which is just stable as long the material is exposed to an external stimulus. In contrast shape-memory polymers are capable of a fixed temporary shape due to the formation of additional temporary netpoints, while the deformation is proceed by applying mechanical stress. A polymeric material, which combines both functions would result into a material that possesses the advantages of the shape-change, as well as the shape-memory effect. In this work, the coupling of two known functions is investigated which results into a new switchable function. Therefore, two different concepts were developed requiring different material structures. For the first concept monodomain, smectic liquid-crystalline elastomers (LCE) containing azobenzene moieties were prepared and the coupling of the light-induced shape-change with the thermally-induced shape-memory effect was investigated. These oriented LCE's exhibit a non-contact deformation into a temporary shape, above the glass transition temperature (Tg), due to the irradiation with UV-light. The temporary shape could be fixed by cooling the material below Tg, while the irradiation with light was kept constant. The permanent shape could be recovered by additional heating above Tg. This process could be repeated several times. Therefore, a new switchable function was developed, which based on the coupling of the light-induced shape-change with the thermally induced shape-memory effect. The second concept required a multi-component system and the coupling of the thermally-induced shape-memory withe the light-induced shape-change effect was investigated. The multi component system consists of a LCE-core and a photosensitive layer. Nematic, main-chain elastomers were prepared, which possess of low transition temperatures and high actuation performances. The photosensitive layer consists of cinnamylidene acetic moieties, that were attached to a siloxane backbone, while the photoreversibility of the light-induced [2+2]-cycloaddition was shown. Furthermore, the photosensitive layer was covalently attached to the surface of the LCE-core. While both components showed their functionality, the coupling of the thermally-induced shape-change with the light-induced shape-memory effect was not successful up to now. The Adjustment of both components on each other has to be improved. Mainly the variation of the layer thickness of both structural components should be in the focus of future work.

New water soluble, attainable to ATRP polymerization Cl-terminated poly(glycidol) macroinitiators were prepared by modification of (Omega)-hydroxyl group of poly(glycidol acetal) using 2-chloropropionyl chloride fallowed by selective acidic deprotection of acetal groups. The obtained macroinitiators of different molar masses were successfully employed in ATRP of NIPAM and 4VP to give well-defined stimuli sensitive block copolymers of targeted molar ratio of blocks. The results obtained from light scattering methods showed formation of stable aggregates upon stimuli (pH or temperature) by all the obtained polymers. Additionally, photocrosslinkable block copolymers of glycidol and NIPAM having incorporated moieties of chromophore (2-(dimethyl maleinimido)-N-ethyl-acryl amide) were prepared using macroinitiator technique and used to synthesis of temperature sensitive microgels. Conjunction points have been successfully formed by UV irradiation of polymer water solution above cloud point. The influence of such parameters like block ratio, block length, amount of chromophore, concentration, irradiation time, temperature and heating rate on the properties of obtained microgels was investigated. The obtained core-shell structures were stable under critical conditions and showed continuous volume phase separation process upon increase of temperature, fully reversible and reproducible (no hysteresis effect). Thus, the proposed method not only gave the opportunity to control size or swelling degree of microgels, but also diminished gradient in crosslinking density (random chromophore distribution in polymer backbone), improved colloid stability (poly(glycidol) shell) and completely eliminated additives (surfactants, initiators, stabilizers).

New water soluble, attainable to ATRP polymerization Cl-terminated poly(glycidol) macroinitiators were prepared by modification of (Omega)-hydroxyl group of poly(glycidol acetal) using 2-chloropropionyl chloride fallowed by selective acidic deprotection of acetal groups. The obtained macroinitiators of different molar masses were successfully employed in ATRP of NIPAM and 4VP to give well-defined stimuli sensitive block copolymers of targeted molar ratio of blocks. The results obtained from light scattering methods showed formation of stable aggregates upon stimuli (pH or temperature) by all the obtained polymers. Additionally, photocrosslinkable block copolymers of glycidol and NIPAM having incorporated moieties of chromophore (2-(dimethyl maleinimido)-N-ethyl-acryl amide) were prepared using macroinitiator technique and used to synthesis of temperature sensitive microgels. Conjunction points have been successfully formed by UV irradiation of polymer water solution above cloud point. The influence of such parameters like block ratio, block length, amount of chromophore, concentration, irradiation time, temperature and heating rate on the properties of obtained microgels was investigated. The obtained core-shell structures were stable under critical conditions and showed continuous volume phase separation process upon increase of temperature, fully reversible and reproducible (no hysteresis effect). Thus, the proposed method not only gave the opportunity to control size or swelling degree of microgels, but also diminished gradient in crosslinking density (random chromophore distribution in polymer backbone), improved colloid stability (poly(glycidol) shell) and completely eliminated additives (surfactants, initiators, stabilizers).

Temperature-responsive hydrogels are polymer particles whose equilibrium size depends on the temperature of the water they are immersed in. Here we present an equivalent circuit model of a temperature-controlled microvalve based on hydrogel particles. The resulting network model consists of three physical subsystems. The thermal subsystem considers the heat capacities and thermal resistances of the layers of the valve and the coupling to the ambient environment. The polymeric subsystem describes the relaxation of the hydrogel particles to the temperature-dependent equilibrium size. The fluidic subsystem consists of the supply channel and a chamber whose cross section varies according to the size of the hydrogel particles. All subsystems are described and coupled within one single circuit. Thus the transient behavior of the valve can be calculated using a circuit simulator. Simulation results for a setup are presented and compared with experiments.