In this thesis, we aim to investigate the thermoresponsive behaviour, especially negative thermal expansion (NTE), in metal dicarboxylate metal organic frameworks (MOFs) using X-ray diffraction techniques. Four materials with the UiO-66 topology [Zr6O4(OH)4(bdc)12], [Zr6O6(bdc)12], [Zr6O6(bpdc)12] and [Zr6O6(2,6-ndc)12] (bdc = 1,4-benzenedicarboxylate, bpdc = 4,4’-biphenyldicarboxylate and 2,6-ndc = 2,6-napthalenedicarboxylate) were investigated, all of which contain a zero-dimensional inorganic cluster. All four members show NTE behaviour over the observed temperature ranges as a result of the twisting motion of the carboxylate groups of the organic linkers. This twisting motion introduces a concerted rocking motion within the inorganic cluster which causes an apparent decrease in the size of the cluster and hence overall volume contraction. Alteration of the structure of the organic linker has an effect on the magnitude of the expansivity coefficient which is believed to be related to the existence of specific vibrational modes of that particular organic linker. Four members of the MIL-53 family [Al(OH)(bdc)], [AlF(bdc)], [Cr(OH)(bdc)] and [VO(bdc)] were studied. All four materials show elements of NTE behaviour related to a “wine rack” thermo-mechanical mechanism which is determined by the connectivity of the framework. The thermoresponsive behaviour in these materials is dominated by the changes in the plane of the pore opening. These changes result from a combination of three distinct types of motion of the bdc linker including the rotation of the bdc linker about the chain of the inorganic octahedra, the “knee cap” bending mode of the carboxylate groups about the O-O vector and possibly the transverse vibrations within the bdc linker. The latter motion was not evident in this work due to the limitations of the structure refinements. The former two motions appear to be correlated and depend on the rigidity of the metal-centred octahedra which is determined by the constituent metal cation and anion types. The rigidity of the octahedra is also found to play an important role in determining whether the material undergoes a “breathing” phase transition at low temperature. [Sc2(bdc)3] shows NTE behaviour over the observed temperature range which is partially driven by a “wine rack” thermo-mechanical mechanism, but with an opposite framework compression direction when compared to the MIL-53 types MOFs. This is due to the presence of an additional bdc connecting linker in the plane of the pore opening. This extra connection inverses the compression direction and also impedes the structural changes in the plane of the pore opening. The contraction of the chain of inorganic octahedra is the main contributor to the overall unit cell contraction and is caused by the twisting motion of the carboxylate groups of the bdc linker while the magnitude of this contraction is determined by the flexibility of the chain of inorganic octahedra.

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<p>Multi-stimuli-responsive materials with dual sensitivities to both temperature and light were designed and investigated for their responsive properties in aqueous media.</p> <p>Amphiphilic polymers were synthesized by copolymerizing monomers of thermoresponsive N-isopropylacrylamide (NIPAM) with vinyl cinnamate (VC), using different chain transfer agents to both control the molecular weight and impart functionality of an amine-terminal or carboxylic acid- terminal end groups. Linear polymers based on pNIPAM-VC were characterized and their thermo- and photo-responsive properties confirmed by ¹H NMR, GPC, and UV-visible spectroscopy.</p> <p>To obtain desired solubility and phase transition properties for the copolymer, latent variable methods were applied to past polymer data to identify the correlated reaction variables. Using model inversion, the ability to predict polymer properties was possible. The outcomes helped to determine ideal reaction reagents and conditions for future designs, facilitating the synthesis of both amine-capped and carboxylic acid-capped poly(NIPAM-co-VC) polymers with high solubility and phase transition onset below physiological temperature (<37°C)</p> <p>The designed poly(NIPAM-co-VC) polymers were subsequently grafted to a polysaccharide, hyaluronic acid (HA) or carboxymethyl cellulose (CMC), via carbodiimide chemistry. The graft material’s mechanical strength was compromised by both the linear polymer size and the architecture (end-group-grafting) which lead to unsuitable materials.</p> <p>Microgels with multi-responsive properties were synthesized by copolymerizing NIPAM with either acrylic acid (AA) or methacrylic acid (MAA) by conventional precipitation-emulsion methods. These microgels were aminated and subsequently grafted with a cinnamate pendant group. As an alternative, microgels were fabricated by microfluidics using linear polymers precursors. Both types of microgels exhibited significant deswelling upon changes in temperature, light, and pH, suggesting their potential utility as smart, photo-responsive drug delivery vehicles.</p> / Master of Applied Science (MASc)

Polymers which are sensitive towards external physical, chemical and electrical stimuli are termed as ‘intelligent materials’ and are widely used in medical and engineering applications. Presently, polymers which can undergo a physical change when heat is applied at a certain temperature (cloud point) in water are well-studied for this property in areas of separation chemistry, gene and drug delivery and as surface modifiers. One example of such a polymer is the poly (N-isopropylacrylamide) PNIPAAM, where it is dissolved well in water below 32 oC, while by increasing the temperature further leads to its precipitation. In this work, an alternative polymer poly (2-(2-methoxy ethoxy)ethyl methacrylate-co- oligo(ethylene glycol) methacrylate) (P(MEO2MA-co-OEGMA)) is studied due to its biocompatibility and the ability to vary its cloud points in water. When a layer of temperature responsive polymer was attached to a single continuous porous piece of silica-based material known as a monolith, the thermoresponsive characteristic was transferred to the column surfaces. The hybrid material was demonstrated to act as a simple temperature ‘switch’ in the separation of a mixture of five steroids under water. Different analytes were observed to be separated under varying column temperatures. Furthermore, more complex biochemical compounds such as proteins were also tested for separation. The importance of this work is attributed to separation processes utilizing environmentally friendly conditions, since harsh chemical environments conventionally used to resolve biocompounds could cause their biological activities to be rendered inactive. / Polymere, welche empfindlich gegenüber externen physikalischen, chemischen und elektrischen Einflüssen sind, werden „intelligente Materialien“ genannt. Diese werden weitverbreitet in medizinischen und technischen Anwendungen eingesetzt. Auf diesem Gebiet ausführlich erforschte Materialien sind Polymere, welche durch Hitze bei einer bestimmten Temperatur (Trübungspunkt) eine physikalische Veränderung eingehen können, genannt thermoresponsive Polymere. Eingesetzt werden diese z.B. in chromatographischen Trennverfahren, in Gen- und Wirkstofftransport Vorgängen und zur Oberflächenmodifikation. Ein Beispiel für so ein Polymer ist das poly(N-isopropylacrylamide) PNIPAAM, welches unter 32 °C in Wasser gelöst vorliegt und mit Erhöhung der Temperatur als Niederschlag ausfällt. In dieser Arbeit wurde ein alternatives Polymer, das poly(2-(2-methoxyethoxy)ethylmethacrylate-co-oligo(ethyleneglycol) methacrylate) (P(MEO2MA-co-OEGMA)), untersucht, in Bezug auf Biokompatibilität und der Änderung des Trübungspunktes in Wasser. Wenn eine Schicht eines temperaturempfindlichen Polymers auf einen Monolithen (einteiliger, poröser und auf Silika-basierendes Material) aufgebracht wird, werden die thermoresponsiven Eigenschaften auf die Oberfläche dieses Monolithen übertragen. Der Monolith dient hier als Säule in einer HPLC-Anlage. Es wurde gezeigt, dass das Hybrid-Material als einfacher „Temperaturschalter“ in der Trennung von fünf verschiedenen Steroiden in Wasser agieren kann. Untersucht wurde die Separation verschiedener Analyten mit dem Variieren der Säulentemperatur. Zusätzlich wurden mehr komplexe biochemische Stoffe, wie Proteine, getestet. Die Bedeutung dieser Arbeit ist zurückzuführen auf Separationsprozesse, welche umweltfreundlichen Bedingungen nutzen, da die rauen chemischen Bedingungen in konventionellen Separationsprozessen die biologische Inaktivität der Verbindungen zur Folge haben können. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung eines alternativen Trägermaterials als Ersatz zu den Silika-basierende Trennungssäulen. Kohlenstoffmaterialien sind aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Härte und chemischen Stabilität eine vielversprechend Alternative. Die Synthese von Kohlenstoffkugeln als Trägermaterial kann als „grüner“ Prozess in meiner Arbeit angesehen werden, da milde Synthesebedingungen in purem Wasser verwendet wurden. Die Leistungsfähigkeit des Materials wurde mit einer Serie von Separationsreaktionen gezeigt.

Stimuli responsive coatings offer a versatile method by which to manipulate interfacial interactions of proteins in a desired way. However, there exists little guidance as to how the structure of a responsive polymer coating influences adsorption of proteins. In this dissertation, the adsorption behavior of immuglobulin G (IgG) on poly (N-isopropylacryamide) (PNIPAAm) hydrogel coatings was investigated as a function of film thickness. PNIPAAm exhibits a hydrophilic to hydrophobic transition above a critical temperature of ~32°C in aqueous solutions. In this research, through the use of quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) it was observed that the adsorption was thickness dependent and became non-reversible as the temperature was decreased. Interestingly, QCM-D results also suggested a similar amount of protein adsorption on both hydrated and dehydrated PNIPAAm surfaces. A rigid film analysis using Sauerbrey equation revealed a multi-layer formation on the collapsed PNIPAAm coatings. Although it is allegedly reported that PNIPAAm favors adsorption above the critical temperature due to hydrophobic interactions, there have been several studies that reported adsorption of proteins below the critical temperature. To better understand the QCM-D results, hydrodynamic shear force assays in a spinning disk configuration were performed in order to quickly measure and quantify adhesion of polystyrene (PS) probe spheres (10μm) to the PNIPAAm coatings in both the solvated (hydrophilic) and collapsed (hydrophobic) state. The influence of polymer coating thickness, polymer chain cross-link density, microsphere concentration and adsorption time on the adhesion characteristics of the coatings was investigated in relation with volume phase transition of the polymer coatings. A series of experiments on quantification of the temperature dependent adhesion of proteins adsorbed on surface attached PNIPAAm coatings of thicknesses was performed as the surface chemistry was switched from hydrophilic to hydrophobic. First, adhesion of polystyrene (PS) microspheres on PNIPAAm coatings was quantified in order to have a guideline for temperature dependent adhesion performance of these coatings. PS particles were subjected to a range of detachment shear stresses through hydrodynamic flow in a spinning disk configuration. These experiments provide an indirect method to determine the force of adhesion since it is proportional to the hydrodynamic force. Model protein, IgG, was then linked to PS microspheres and the mean adhesion strength of the IgG coated PS microspheres were determined through the detachment shear stresses. The influence of PS deposition time, PS bead concentration, PNIPAAm coating thickness and PNIPAAm cross-link density on the adhesion strength were addressed. The results indicated that in the collapsed state, the adhesion of bare hydrophobic PS microspheres depends strongly on coating thickness. For hydrophilic charged PS microspheres the adhesion was always higher on the hydrated PNIPAAm surfaces and appeared not to be strongly affected by the increase in PNIPAAm coating thickness. The adhesion of IgG was higher on the collapsed PNIPAAm surfaces and the adhesion trend did not significantly change as the PNIPAAm film thickness was increased. For PNIPAAm coatings with the cross-link density reduced by factor of 10, the adhesion was again higher on the collapsed PNIPAAm surface and scaled linearly with thickness. Moreover, the influence of thickness became prominent at the higher thickness values (165 nm-185 nm). In addition, the adhesion of carboxylated microspheres on PNIPAAm did not reach equilibrium and increased linearly with microsphere deposition time. A study on the sensing characteristics of PNIPAAm coatings in response to heavy metal ions was also conducted in this dissertation. The temperature-dependent swelling behavior of poly(N-isopropylacrylamide) and tripeptide Gly-Gly-His/poly(NIPAAm) conjugate hydrogel coatings were investigated using a quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) while in contact with NaCl, ZnCl2, NiCl2, and CuCl2 solutions. To fabricate the tripeptide conjugated gels, precursor gels of poly(NIPAAm-co-3-aminopropylmethacrylamide[3.5 mole%]) were synthesized via free radical polymerization. The metal binding tripeptide, Gly-Gly-His, was subsequently synthesized in the gel via a Merrifield solid phase peptide synthesis (SPPS) technique, in which the amino group of the copolymer gel provided a functional site to support peptide synthesis. It was found that the logarithm of the transition temperature of the tripeptide Gly-Gly-His/poly(NIPAAm) conjugate hydrogel was proportional to the ionic strength, showing two distinct regions at low and high ionic strengths for the divalent ions. In the low ionic strength regime, the salting out constants were 0.08 M-1, 0.07 M-1, and 0.06 M-1 for Cu2+, Ni2+, and Zn2+, respectively, which follows the known trend for binding of the ions to Gly-Gly-His. In the high ionic strength region, when the metal-ion binding sites in the tripeptide conjugate hydrogel were saturated, the salting out constants were similar to the salting out constants associated with pure poly(NIPAAm).

New ABC triblock copolymers were synthesized by controlled free-radical polymerization via Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer (RAFT). Compared to amphiphilic diblock copolymers, the prepared materials formed more complex self-assembled structures in water due to three different functional units. Two strategies were followed: The first approach relied on double-thermoresponsive triblock copolymers exhibiting Lower Critical Solution Temperature (LCST) behavior in water. While the first phase transition triggers the self-assembly of triblock copolymers upon heating, the second one allows to modify the self-assembled state. The stepwise self-assembly was followed by turbidimetry, dynamic light scattering (DLS) and 1H NMR spectroscopy as these methods reflect the behavior on the macroscopic, mesoscopic and molecular scale. Although the first phase transition could be easily monitored due to the onset of self-assembly, it was difficult to identify the second phase transition unambiguously as the changes are either marginal or coincide with the slow response of the self-assembled system to relatively fast changes of temperature. The second approach towards advanced polymeric micelles exploited the thermodynamic incompatibility of “triphilic” block copolymers – namely polymers bearing a hydrophilic, a lipophilic and a fluorophilic block – as the driving force for self-assembly in water. The self-assembly of these polymers in water produced polymeric micelles comprising a hydrophilic corona and a microphase-separated micellar core with lipophilic and fluorophilic domains – so called multi-compartment micelles. The association of triblock copolymers in water was studied by 1H NMR spectroscopy, DLS and cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM). Direct imaging of the polymeric micelles in solution by cryo-TEM revealed different morphologies depending on the block sequence and the preparation conditions. While polymers with the sequence hydrophilic-lipophilic-fluorophilic built core-shell-corona micelles with the core being the fluorinated compartment, block copolymers with the hydrophilic block in the middle formed spherical micelles where single or multiple fluorinated domains “float” as disks on the surface of the lipophilic core. Increasing the temperature during micelle preparation or annealing of the aqueous solutions after preparation at higher temperatures induced occasionally a change of the micelle morphology or the particle size distribution. By RAFT polymerization not only the desired polymeric architectures could be realized, but the technique provided in addition a precious tool for molar mass characterization. The thiocarbonylthio moieties, which are present at the chain ends of polymers prepared by RAFT, absorb light in the UV and visible range and were employed for end-group analysis by UV-vis spectroscopy. A variety of dithiobenzoate and trithiocarbonate RAFT agents with differently substituted initiating R groups were synthesized. The investigation of their absorption characteristics showed that the intensity of the absorptions depends sensitively on the substitution pattern next to the thiocarbonylthio moiety and on the solvent polarity. According to these results, the conditions for a reliable and convenient end-group analysis by UV-vis spectroscopy were optimized. As end-group analysis by UV-vis spectroscopy is insensitive to the potential association of polymers in solution, it was advantageously exploited for the molar mass characterization of the prepared amphiphilic block copolymers. / Die Arbeit widmet sich der Synthese von neuen amphiphilen ternären "ABC" Block-Copolymeren und der Untersuchung ihrer Selbstorganisation zu mizellaren Überstrukturen in wässriger Lösung. Die Block-Copolymere wurden durch kontrollierte radikalische Polymerisation mittels des sogenannten „RAFT“ Prozesses (radical addition fragmentation chain transfer) hergestellt. Neben der Realisierung der gewünschten Polymerarchitekturen erlaubte es die Methode, die Molmassen der Polymere durch Endgruppenanalyse zu bestimmen. Die Kettenenden der Polymere tragen infolge des Polymerisationsmechanismus’ definierte Funktionalitäten, welche UV- und sichtbares Licht absorbieren und somit durch UV-vis-Spektroskopie quantifizierbar sind. Das Absorptionsverhalten der Endgruppen wurde untersucht und die UV-vis-Endgruppenanalyse optimiert. Es zeigte sich, dass die Vorteile der Methode ihre generelle Anwendbarkeit und ihre Unempfindlichkeit gegenüber der Assoziation von Polymeren in Lösung sind. Aufgrund ihrer drei unterschiedlichen Blöcke bilden die synthetisierten ABC Triblockcopolymere komplexere selbstorganisierte Strukturen als die bisher üblichen Diblockcopolymere. Die Triebkraft für ihre Selbstorganisation in wässriger Lösung ist im wesentlichen der hydrophobe Effekt. Es wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt: Zum einen wurden doppelt-schaltbare Triblockcopolymere hergestellt, von denen ein Block permanent wasserlöslich ist, während die anderen Blöcke jeweils eine untere Entmischungstemperatur in wässriger Lösung aufweisen. Diese Blöcke „schalten“ beim Erwärmen von hydrophil auf hydrophob. Oberhalb des ersten Phasenübergangs - bei der niedrigeren Entmischungstemperatur - assoziieren die Makromoleküle und bilden Polymermizellen im Nanometerbereich. Beim weiteren Erwärmen „schaltet“ auch der zweite Block und modifiziert den selbstorganisierten Zustand, während der permanent wasserlösliche Block für die Stabilisierung der Aggregate sorgt. Die Assoziation der Block-Copolymere ist nach Abkühlen der wässrigen Lösung vollständig reversibel. Die stufenweise Selbstorganisation wurde mit Hilfe von Turbidimetrie, Dynamischer Lichtstreuung (DLS) und 1H-NMR-Spektroskopie untersucht, da diese Methoden das Verhalten auf der makroskopischen, mesoskopischen und molekularen Skala widerspiegeln. Obwohl der einsetzende Selbstorganisationsprozess problemlos zu detektieren war, konnten die Veränderungen infolge des zweiten Phasenübergang nicht immer eindeutig identifiziert werden, da sie zum Teil mit der langsamen Reaktion des Systems auf relativ schnelle Temperaturänderungen zusammenfielen. Außerdem hängt die Aggregatbildung nicht nur sensibel von der detaillierten Polymerarchitektur ab, sondern unterliegt auch teilweise einer kinetischen Kontrolle. Der zweite Ansatz zu komplexeren Polymermizellen basierte auf der Inkompatibilität „triphiler“ Blockcopolymere als Triebkraft für die Selbstorganisation. Das heißt, die Block-Copolymere bestehen aus einem hydrophilen, einen lipophilen und einen fluorophilen (Fluorkohlenwasserstoff-liebenden) Teil, die jeweils miteinander unverträglich sind. Die Polymere assoziierten in Wasser zu Polymermizellen mit einer hydrophilen Korona und einem unterstrukturierten Mizellkern mit separaten Kohlenwasserstoff- und Fluorkohlenwasserstoff-Domänen – sogenannten Multi-Kompartiment-Mizellen. Die Assoziation der Triblock-Copolymere wurde mit 1H-NMR-Spektroskopie, DLS und cryogener Transmissionselektronenmikroskopie (cryo-TEM) untersucht. Die unmittelbare Abbildung der Polymermizellen in Lösung mittels cryo-TEM enthüllte unterschiedliche Morphologien in Abhängigkeit von der Blocksequenz und den Präparationsbedingungen. Während Polymere mit der Blocksequenz hydrophil-lipophil-fluorophil Kern-Schale-Korona-Mizellen mit der Fluor-Domäne als Kern bildeten, wurde eine neue, unerwartete Mizellmorphologie für die Polymere mit dem hydrophilen Block in der Mitte gefunden: Einzelne oder mehrere Fluordomänen “schwimmen” als Scheiben auf dem lipophilen Kern. Die beobachteten Morphologien sind weitgehend stabil, unterliegen aber ebenfalls - zumindest teilweise - einer kinetischen Kontrolle. So führten erhöhte Temperaturen während der Mizellpräparation gelegentlich zu einer Veränderung der Mizellmorphologie oder Partikelgröße.

In the present thesis, the self-assembly of multi thermoresponsive block copolymers in dilute aqueous solution was investigated by a combination of turbidimetry, dynamic light scattering, TEM measurements, NMR as well as fluorescence spectroscopy. The successive conversion of such block copolymers from a hydrophilic into a hydrophobic state includes intermediate amphiphilic states with a variable hydrophilic-to-lipophilic balance. As a result, the self-organization is not following an all-or-none principle but a multistep aggregation in dilute solution was observed. The synthesis of double thermoresponsive diblock copolymers as well as triple thermoresponsive triblock copolymers was realized using twofold-TMS labeled RAFT agents which provide direct information about the average molar mass as well as residual end group functionality from a routine proton NMR spectrum. First a set of double thermosensitive diblock copolymers poly(N-n-propylacrylamide)-b-poly(N-ethylacrylamide) was synthesized which differed only in the relative size of the two blocks. Depending on the relative block lengths, different aggregation pathways were found. Furthermore, the complementary TMS-labeled end groups served as NMR-probes for the self-assembly of these diblock copolymers in dilute solution. Reversible, temperature sensitive peak splitting of the TMS-signals in NMR spectroscopy was indicative for the formation of mixed star-/flower-like micelles in some cases. Moreover, triple thermoresponsive triblock copolymers from poly(N-n-propylacrylamide) (A), poly(methoxydiethylene glycol acrylate) (B) and poly(N-ethylacrylamide) (C) were obtained from sequential RAFT polymerization in all possible block sequences (ABC, BAC, ACB). Their self-organization behavior in dilute aqueous solution was found to be rather complex and dependent on the positioning of the different blocks within the terpolymers. Especially the localization of the low-LCST block (A) had a large influence on the aggregation behavior. Above the first cloud point, aggregates were only observed when the A block was located at one terminus. Once placed in the middle, unimolecular micelles were observed which showed aggregation only above the second phase transition temperature of the B block. Carrier abilities of such triple thermosensitive triblock copolymers tested in fluorescence spectroscopy, using the solvatochromic dye Nile Red, suggested that the hydrophobic probe is less efficiently incorporated by the polymer with the BAC sequence as compared to ABC or ACB polymers above the first phase transition temperature. In addition, due to the problem of increasing loss of end group functionality during the subsequent polymerization steps, a novel concept for the one-step synthesis of multi thermoresponsive block copolymers was developed. This allowed to synthesize double thermoresponsive di- and triblock copolymers in a single polymerization step. The copolymerization of different N-substituted maleimides with a thermosensitive styrene derivative (4-vinylbenzyl methoxytetrakis(oxyethylene) ether) led to alternating copolymers with variable LCST. Consequently, an excess of this styrene-based monomer allowed the synthesis of double thermoresponsive tapered block copolymers in a single polymerization step. / Die Selbstorganisation von mehrfach thermisch schaltbaren Blockcopolymeren in verdünnter wässriger Lösung wurde mittels Trübungsphotometer, dynamischer Lichtstreuung, TEM Messungen, NMR sowie Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Die schrittweise Überführung eines hydrophilen in ein hydrophobes Blockcopolymer beinhaltet ein oder mehr amphiphile Zwischenstufen mit einstellbarem hydrophilen zu lipophilen Anteil (HLB). Dies führt dazu, dass die Selbstorganisation solcher Polymere in Lösung nicht nur einem Alles-oder-nichts-Prinzip folgt sondern ein mehrstufiges Aggregationsverhalten beobachtet wird. Die Synthese von doppelt thermisch schaltbaren Diblockcopolymeren und dreifach thermisch schaltbaren Triblockcopolymeren wurde durch sequenzielle RAFT Polymerisation realisiert. Dazu wurden zweifach TMS-markierte RAFT Agentien verwendet, welche die Bestimmung der molaren Masse sowie der verbliebenen Endgruppenfunktionalität direkt aus einem Protonen NMR Spektrum erlauben. Mit diesen RAFT Agentien wurde zunächst eine Serie von doppelt thermisch schaltbaren Diblockcopolymeren aus Poly(N-n-propylacrylamid)-b-Poly(N-ethylacrylamid), welche sich lediglich durch die relativen Blocklängen unterscheiden, hergestellt. In Abhängigkeit von der relativen Blocklänge wurde ein unterschiedliches Aggregationsverhalten der Diblockcopolymere in verdünnter wässriger Lösung beobachtet. Des Weiteren wirken die komplementär TMS-markierten Endgruppen als NMR-Sonden während der schrittweisen Aggregation dieser Polymere. Reversible, temperaturabhängige Peakaufspaltung der TMS-Signale in der NMR Spektroskopie spricht für eine Aggregation in gemischte stern-/blumenartige Mizellen, in denen ein Teil der hydrophoben Endgruppen in den hyrophoben Kern zurückfaltet. Obendrein wurden dreifach thermisch schaltbare Triblockcopolymere aus Poly(N-n-propylacrylamid) (A), Poly(methoxydiethylen glycol acrylat) (B) und Poly(N-ethylacrylamid) (C) in allen möglichen Blocksequenzen (ABC, BAC, ACB) durch schrittweisen Aufbau mittels RAFT Polymerisation erhalten. Das Aggregationsverhalten dieser Polymere in verdünnter wässriger Lösung war relativ komplex und hing stark von der Position der einzelnen Blöcke in den Triblockcopolymeren ab. Besonders die Position des Blocks mit der niedrigsten LCST (A) war ausschlaggebend für die resultierenden Aggregate. So wurde oberhalb der ersten Phasenübergangstemperatur nur Aggregation der Triblockcopolymere beobachtet, wenn der A Block an einem der beiden Enden der Polymere lokalisiert war. Wurde der A Block hingegen in der Mitte der Polymere positioniert, entstanden unimere Mizellen zwischen der ersten und zweiten Phasenübergangstemperatur, welche erst aggregierten, nachdem der zweite Block (B) seinen Phasenübergang durchlief. Die Transportereigenschaften dieser Triblockcopolymere wurden mittels Fluoreszenzspektroskopie getestet. Dazu wurde die Einlagerung eines hydrophoben, solvatochromen Fluoreszenzfarbstoffes, Nilrot, in Abhängigkeit der Temperatur untersucht. Im Gegensatz zu den Polymeren mit der Blocksequenz ABC oder ACB, zeigten die Polymere mit der Sequenz BAC eine verminderte Aufnahmefähigkeit des hydrophoben Farbstoffes oberhalb des ersten Phasenübergangs, was auf die fehlende Aggregation und die damit verbundenen relativ kleinen hydrophoben Domänen der unimolekularen Mizellen zwischen der ersten und zweiten Phasenübergangstemperatur zurückzuführen ist. Aufgrund des zunehmenden Verlustes von funktionellen Endgruppen während der RAFT Synthese von Triblockcopolymeren wurde ein neuartiges Konzept zur Einschrittsynthese von mehrfach schaltbaren Blockcopolymeren entwickelt. Dieses erlaubt die Synthese von mehrfach schaltbaren Diblock- und Triblockcopoylmeren in einem einzelnen Reaktionsschritt. Die Copolymeriation von verschiedenen N-substituierten Maleimiden mit einem thermisch schaltbaren Styrolderivat (4-Vinylbenzylmethoxytetrakis(oxyethylene) ether) ergab alternierende Copolymere mit variabler LCST. Die Verwendung eines Überschusses dieses styrolbasierten Monomers erlaubt ferner die Synthese von Gradientenblockcopolymeren in einem einzelnen Polymerisationsschritt.

This work describes the synthesis and characterization of stimuli-responsive polymers made by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization and the investigation of their self-assembly into “smart” hydrogels. In particular the hydrogels were designed to swell at low temperature and could be reversibly switched to a collapsed hydrophobic state by rising the temperature. Starting from two constituents, a short permanently hydrophobic polystyrene (PS) block and a thermo-responsive poly(methoxy diethylene glycol acrylate) (PMDEGA) block, various gelation behaviors and switching temperatures were achieved. New RAFT agents bearing tert-butyl benzoate or benzoic acid groups, were developed for the synthesis of diblock, symmetrical triblock and 3-arm star block copolymers. Thus, specific end groups were attached to the polymers that facilitate efficient macromolecular characterization, e.g by routine 1H-NMR spectroscopy. Further, the carboxyl end-groups allowed functionalizing the various polymers by a fluorophore. Because reports on PMDEGA have been extremely rare, at first, the thermo-responsive behavior of the polymer was investigated and the influence of factors such as molar mass, nature of the end-groups, and architecture, was studied. The use of special RAFT agents enabled the design of polymer with specific hydrophobic and hydrophilic end-groups. Cloud points (CP) of the polymers proved to be sensitive to all molecular variables studied, namely molar mass, nature and number of the end-groups, up to relatively high molar masses. Thus, by changing molecular parameters, CPs of the PMDEGA could be easily adjusted within the physiological interesting range of 20 to 40°C. A second responsivity, namely to light, was added to the PMDEGA system via random copolymerization of MDEGA with a specifically designed photo-switchable azobenzene acrylate. The composition of the copolymers was varied in order to determine the optimal conditions for an isothermal cloud point variation triggered by light. Though reversible light-induced solubility changes were achieved, the differences between the cloud points before and after the irradiation were small. Remarkably, the response to light differed from common observations for azobenzene-based systems, as CPs decreased after UV-irradiation, i.e with increasing content of cis-azobenzene units. The viscosifying and gelling abilities of the various block copolymers made from PS and PMDEGA blocks were studied by rheology. Important differences were observed between diblock copolymers, containing one hydrophobic PS block only, the telechelic symmetrical triblock copolymers made of two associating PS termini, and the star block copolymers having three associating end blocks. Regardless of their hydrophilic block length, diblock copolymers PS11 PMDEGAn were freely flowing even at concentrations as high as 40 wt. %. In contrast, all studied symmetrical triblock copolymers PS8-PMDEGAn-PS8 formed gels at low temperatures and at concentrations as low as 3.5 wt. % at best. When heated, these gels underwent a gel-sol transition at intermediate temperatures, well below the cloud point where phase separation occurs. The gel-sol transition shifted to markedly higher transition temperatures with increasing length of the hydrophilic inner block. This effect increased also with the number of arms, and with the length of the hydrophobic end blocks. The mechanical properties of the gels were significantly altered at the cloud point and liquid-like dispersions were formed. These could be reversibly transformed into hydrogels by cooling. This thesis demonstrates that high molar mass PMDEGA is an easily accessible, presumably also biocompatible and at ambient temperature well water-soluble, non-ionic thermo-responsive polymer. PMDEGA can be easily molecularly engineered via the RAFT method, implementing defined end-groups, and producing different, also complex, architectures, such as amphiphilic triblock and star block copolymers, having an analogous structure to associative telechelics. With appropriate design, such amphiphilic copolymers give way to efficient, “smart” viscosifiers and gelators displaying tunable gelling and mechanical properties. / Diese Arbeit befasst sich mit der RAFT-vermittelten Synthese und Charakterisierung von stimuli-empfindlichen Polymeren und ihrer Selbstorganisation zu „intelligenten” Hydrogelen. Die Hydrogele wurden so entwickelt, dass sie bei niedrigen Temperaturen stark quellen, bei Temperaturerhöhung jedoch reversibel in einem hydrophoben, kollabierten Zustand umgewandelt werden. Mit dem permanent hydrophoben Polystyrol (PS) und dem hydrophilen, thermisch schaltbaren Poly(methoxy-diethylen¬glycol-acrylat) (PMDEGA) als Bausteine, wurden unterschiedliche Gelierungsverhalten und thermische Übergangstemperaturen erreicht. Zur Synthese von Diblock-, symmetrischen Triblock- und dreiarmigen Sternblock-Copolymeren wurden neue funktionelle Kettenüberträger entwickelt. Diese gestatteten es, tert-butyl Benzoeester und Benzoesäure Endgruppen in die Polymere einzubauen, die einerseits eine effiziente Analyse mittels Routine 1H-NMR und darüber hinaus eine spätere Funktionalisierung der Endgruppen mit einer Fluoreszenzsonde ermöglichten. Da über PMDEGA kaum Daten vorlagen, wurde der Einfluss von Molekulargewicht, Endgruppen und Architektur auf das thermo-responsive Verhalten untersucht. Die speziellen Kettenüberträger ermöglichten es, gezielt hydrophobe wie hydrophile Endgruppen in die Polymere einzuführen. Die Trübungspunkte der wässerigen Lösungen von PMDEGA zeigten sich bis zu relativ hohen molaren Massen abhängig gegenüber allen untersuchten Variablen, nämlich dem Molekulargewicht, der Art und Zahl von Endgruppen. Durch Variation der diversen Parameter ließ sich die Schalttemperatur von PMDEGA in physiologisch relevanten Temperaturbereich von 20 bis 40 °C einstellen. Um die Polymere für einen zweiten Stimulus, nämlich Licht, empfindlich zu machen, wurden Azobenzol-funktionalisierte Acrylate synthetisiert und statistisch mit MDEGA copolymerisiert. Die Zusammensetzung der Polymeren wurde variiert und das isotherme Schalten der Löslichkeit durch Licht untersucht. Obwohl ein reversibles Schalten erreicht wurde, waren die Unterschiede zwischen den Trübungstemperaturen von UV-Licht bestrahlten und unbestrahlten Proben nur gering. Interessanterweise senkte die UV-Bestrahlung, d.h. ein erhöhter Gehalt von cis-Azobenzol-Gruppen, die Trübungstemperaturen herab. Dies ist genau umgekehrt als für azobenzolbasierten Systeme klassisch beschrieben. Die Gelbildung der verschiedenen Blockcopolymere von PS und PMDEGA wurde mittels Rheologie untersucht. Dabei traten deutliche Unterschiede auf, zwischen dem Gelierungsverhalten der Diblockcopolymere, die nur einen PS Block enthalten, dem der symmetrischen Triblockcopolymere, die zwei assoziative PS Endblöcken besitzen, und dem der Sternpolymere, die drei assoziative PS Blöcke aufweisen. Unabhängig von der Länge des hydrophilen Blockes, bilden Diblockcopolymere des Typs PS11-PMDEGAn keine Gele, sondern selbst bei hohen Konzentrationen von 40 Gew. % Lösungen. Im Gegensatz dazu bildeten die Triblockcopolymere des Typs PS8-PMDEGAn-PS8 Gele bei niedrigen Temperaturen, vereinzelt schon ab 3.5 wt. %. Mit steigender Temperatur, tritt bereits unterhalb des Trübungspunktes für diese Systeme ein Gel-Sol Übergang auf. Der Gel-Sol Übergang bewegt sich zu höheren Temperaturen mit steigende Länge des hydrophilen inneren Blocks. Dieser Trend verstärkt sich mit zunehmender Anzahl von Endblöcken und deren Länge. An der Trübungstemperatur veränderten sich die mechanischen Eigenschaften aller Gele signifikant und die gebildeten flüssigen Dispersionen ließen sich reversibel beim Abkühlen wieder zu Gel schalten. Diese Arbeit, zeigt dass PMDEGA ein bei niedrigen Temperaturen gut wasserlösliches, nicht-ionisches, thermisch-schaltbares und wahrscheinlich biokompatibles Polymer ist. PMDEGA liest sich einfach mittels den RAFT-Verfahren molekular maßschneiden, mit spezifischen Endgruppen und komplexen Polymerarchitekturen. Solche amphiphilen Triblock- und Sternblock-Copolymeren hoher Molmasse, wirken als assoziative Telechele. Daher eigenen sich bei entsprechendem Design diese amphiphilen Blockcopolymere als effiziente Verdicker und Gelbildner mit einstellbaren mechanischen und thermischen Eigenschaften.

Various synthetic approaches were explored towards the preparation of poly(N-substituted glycine) homo/co-polymers (a.k.a. polypeptoids). In particular, monomers that would facilitate in the preparation of bio-relevant polymers via either chain- or step-growth polymerization were targeted. A 3-step synthetic approach towards N-substituted glycine N-carboxyanhydrides (NNCA) was implemented, or developed, and optimized allowing for an efficient gram scale preparation of the aforementioned monomer (chain-growth). After exploring several solvents and various conditions, a reproducible and efficient ring-opening polymerization (ROP) of NNCAs was developed in benzonitrile (PhCN). However, achieving molecular weights greater than 7 kDa required longer reaction times (>4 weeks) and sub-sequentially allowed for undesirable competing side reactions to occur (eg. zwitterion monomer mechanisms). A bulk-polymerization strategy provided molecular weights up to 11 kDa within 24 hours but suffered from low monomer conversions (ca. 25%). Likewise, a preliminary study towards alcohol promoted ROP of NNCAs suffered from impurities and a suspected alternative activated monomer mechanism (AAMM) providing poor inclusion of the initiator and leading to multi-modal dispersed polymeric systems. The post-modification of poly(N-allyl glycine) via thiol-ene photo-addition was observed to be quantitative, with the utilization of photo-initiators, and facilitated in the first glyco-peptoid prepared under environmentally benign conditions. Furthermore, poly(N-allyl glycine) demonstrated thermo-responsive behavior and could be prepared as a semi-crystalline bio-relevant polymer from solution (ie. annealing). Initial efforts in preparing these polymers via standard poly-condensation protocols were insufficient (step-growth). However, a thermally induced side-product, diallyl diketopiperazine (DKP), afforded the opportunity to explore photo-induced thiol-ene and acyclic diene metathesis (ADMET) polymerizations. Thiol-ene polymerization readily led to low molecular weight polymers (<2.5 kDa), that were insoluble in most solvents except heated amide solvents (ie. DMF), whereas ADMET polymerization, with diallyl DKP, was unsuccessful due to a suspected 6 member complexation/deactivation state of the catalyst. This understanding prompted the preparation of elongated DKPs most notably dibutenyl DKP. SEC data supports the aforementioned understanding but requires further optimization studies in both the preparation of the DKP monomers and following ADMET polymerization. This work was supported by NMR, GC-MS, FT-IR, SEC-IR, and MALDI-Tof MS characterization. Polymer properties were measured by UV-Vis, TGA, and DSC. / Die Annehmlichkeiten des Alltags und das hohe Alter das Menschen in der heutigen Zeit erreichen sind ein Ergebnis des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts. Insbesondere in der Medizin haben die Entwicklung neuartiger Medikamente und Therapien, künstlicher Knochen und Gewebeteile sowie der Einsatz von neuen Geräten für die Diagnostik und Assistenz bei Operationen enorm zu diesen Errungenschaften beigetragen. Jede Entwicklung fundierte letztlichen auf den Ergebnissen der Grundlagenforschung sei es von Mikro-/biologen (Identifikation anormalen Verhaltens), Biochemikern (Identifikation von Auslösern und Wirkzentren) Bio-/ organischen Chemikern (Synthese von Makro-/molekülen), Material-/chemikern (Materialsynthese) und/oder Ingenieuren/Mathematikern/Physikern (theoretischen Modelle und Berechnungen). Biomedizinische Anwendungen wie z.B. Biosensoren, künstliche Gewebeteile und Trägersubstanzen zur gezielten Wirkstofffreisetzung sind von besonderem Interesse. Materialien, die nach Kontakt mit einer Zelloberfläche in der Lage sind definiert ihre Struktur oder mechanischen Eigenschaften zu verändern und anschließend bioabbaubar sind ohne toxische Nebenwirkungen zu entfalten befriedigen die zuvor genannten Bedürfnisse. Organismen entwickeln Biomaterialien bereits seit Millionen von Jahren und sind daher ein typischer Startpunkt für die Inspiration zu vielversprechenden Substanzen. Peptoide, als Mimetika von Peptiden, werden bereits längerem von Bio-/chemikern synthetisiert und auf ihren therapeutischen Nutzen hin, neuerdings auch auf ihre Materialeigenschaften untersucht. Grundlegende Eigenschaften dieser Materialien sind ihre Biokompatibilität, kontrollierte Bioabbaubarkeit, thermische Prozessierbarkeit sowie ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation in höher geordnete Strukturen. Die sequenzdefinierte Synthese ist jedoch aufwendig und teuer. In dieser Arbeit habe ich ein alternatives Herstellungsverfahren (Ringöffnungspolymerisation) entwickelt mit dem es möglich ist hochmolekulare Substanzen - genannt poly(N-substituierte Glycine) – herzustellen. Ich erwarte, dass diese Materialien ähnliche stimulus responsive und thermische Eigenschaften wie Polypeptide, die bereits intensiv auf ihre biomedizinische Anwendbarkeit untersucht werden, haben. Im Vergleich zu den strukturgleichen Peptiden erwarte ich eine höhere Biokompatibilität sodass diese Materialen eine vielversprechende neue Klasse biorelevanter Materialien darstellen könnte. Die fundamentalen Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine Alternative zu den bekannten Methoden zur Herstellung poly(N-substituierter Glycine) dar. Selbige weisen stimulus responsives Verhalten und thermische Prozessierbarkeit auf, das vergleichbar ist mit bereits bekannten Materialien. Darüber hinaus erlauben sie die einfache und vielseitige Funktionalisierung für vielschichtige Anwendungen.