TY  - THES
A1  - Buller, Jens
T1  - Entwicklung neuer stimuli-sensitiver Hydrogelfilme als Plattform für die Biosensorik
T1  - Development of new stimuli-sensitive hydrogel films designed as platform for biosensors
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und der Charakterisierung von thermoresponsiven Polymeren und ihrer Immobilisierung auf festen Oberflächen als nanoskalige dünne Schichten. Dabei wurden thermoresponsive Polymere vom Typ der unteren kritischen Entmischungstemperatur (engl.: lower critical solution temperature, LCST) verwendet. Sie sind bei niedrigeren Temperaturen im Lösungsmittel gut und nach Erwärmen oberhalb einer bestimmten kritischen Temperatur nicht mehr löslich; d. h. sie weisen bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenübergang auf. Als Basismaterial wurden verschiedene thermoresponsive und biokompatible Polymere basierend auf Diethylenglykolmethylethermethacrylat (MEO2MA) und Oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat (OEGMA475, Mn = 475 g/ mol) über frei radikalische Copolymerisation synthetisiert. Der thermoresponsive Phasenübergang der Copolymere wurde in wässriger Lösung und in gequollenen vernetzten dünnen Schichten beobachtet. Außerdem wurde untersucht, inwiefern eine selektive Proteinbindung an geeignete funktionalisierte Copolymere die Phasenübergangstemperatur beeinflusst. Die thermoresponsiven Copolymere wurden über photovernetzbare Gruppen auf festen Oberflächen immobilisiert. Die nötigen lichtempfindlichen Vernetzereinheiten wurden mittels des polymerisierbaren Benzophenonderivates 2 (4 Benzoylphenoxy)ethylmethacrylat (BPEM) in das Copolymer integriert. Dünne Filme der Copolymere mit ca. 100 nm Schichtdicke wurden über Rotationsbeschichtung auf Siliziumwafer aufgeschleudert und anschließend durch Bestrahlung mit UV Licht vernetzt und auf der Oberfläche immobilisiert. Die Filme sind stabiler je größer der Vernetzeranteil und je größer die Molmasse der Copolymere ist. Bei einem Waschprozess nach der Vernetzung wird beispielsweise aus einem Film mit moderater Molmasse und geringem Vernetzeranteil mehr unvernetztes Copolymer ausgewaschen als bei einem höhermolekularen Copolymer mit hohem Vernetzeranteil. Die Quellbarkeit der Polymerschichten wurde mit Ellipsometrie untersucht. Sie ist größer je geringer der Vernetzeranteil in den Copolymeren ist. Schichten aus thermoresponsiven OEG Copolymeren zeigen einen Volumenphasenübergang vom Typ der LCST. Der thermoresponsive Kollaps der Schichten ist komplett reversibel, die Kollapstemperatur kann über die Zusammensetzung der Copolymere eingestellt werden. Für einen Vergleich dieser Eigenschaften mit dem gut charakterisierten und derzeit wohl am häufigsten untersuchten thermoresponsiven Polymer Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) wurden zusätzlich photovernetzte Schichten aus PNIPAM hergestellt und ebenfalls ellipsometrisch vermessen. Im Vergleich zu PNIPAM verläuft der Phasenübergang der Schichten aus den Copolymeren mit Oligo(ethylenglykol)-seitenketten (OEG Copolymere) über einen größeren Temperaturbereich. Mit Licht einer Wellenlänge > 300 nm wurden die photosensitiven Benzophenongruppen selektiv angeregt. Bei der Verwendung kleinerer Wellenlängen vernetzten die Copolymerschichten auch ohne die Anwesenheit der lichtempfindlichen Benzophenongruppen. Dieser Effekt ließ sich zur kontrollierten Immobilisierung und Vernetzung der OEG Copolymere einsetzen. Als weitere Methode zur Immobilisierung der Copolymere wurde die Anbindung über Amidbindungen untersucht. Dazu wurden OEG Copolymere mit dem carboxylgruppenhaltigen 2 Succinyloxyethylmethacrylat (MES) auf mit 3 Aminopropyldimethylethoxysilan (APDMSi) silanisierte Siliziumwafer rotationsbeschichtet, und mit dem oligomeren α, ω Diamin Jeffamin® ED 900 vernetzt. Die Vernetzungsreaktion erfolgte ohne weitere Zusätze durch Erhitzen der Proben. Die Hydrogelschichten waren anschließend stabil und zeigten neben thermoresponsivem auch pH responsives Verhalten. Um zu untersuchen, ob die Phasenübergangstemperatur durch eine Proteinbindung beeinflusst werden kann, wurde ein polymerisierbares Biotinderivat 2 Biotinyl-aminoethylmethacrylat (BAEMA) in das thermoresponsive Copolymer eingebaut. Der Einfluss des biotinbindenen Proteins Avidin auf das thermoresponsive Verhalten des Copolymers in Lösung wurde untersucht. Die spezifische Bindung von Avidin an das biotinylierte Copolymer verschob die Übergangstemperatur deutlich zu höheren Temperaturen. Kontrollversuche zeigten, dass dieses Verhalten auf eine selektive Proteinbindung zurückzuführen ist. Thermoresponsive OEG Copolymere mit photovernetzbaren Gruppen aus BPEM und Biotingruppen aus BAEMA wurden über Rotationsbeschichtung auf Gold- und auf Siliziumoberflächen aufgetragen und durch UV Strahlung vernetzt. Die spezifische Bindung von Avidin an die Copolymerschicht wurde mit Oberflächenplasmonenresonanz und Ellipsometrie untersucht. Die Bindungskapazität der Schichten war umso größer, je kleiner der Vernetzeranteil, d. h. je größer die Maschenweite des Netzwerkes war. Die Quellbarkeit der Schichten wurde durch die Avidinbindung erhöht. Bei hochgequollenen Systemen verursachte eine Mehrfachbindung des tetravalenten Avidins allerdings eine zusätzliche Quervernetzung des Polymernetzwerkes. Dieser Effekt wirkt der erhöhten Quellbarkeit durch die Avidinbindung entgegen und lässt die Polymernetzwerke schrumpfen.
N2  - This work describes the synthesis and characterization of thermoresponsive polymers and their immobilisation on solid substrates as nanoscale thin films. The used polymers were of the lower critical solution temperature (LCST) type. They are well soluble in a solvent below a and get insoluble above a certain temperature, thus they exhibit a phase transition at a critical temperature. Different thermoresponsive biocompatible copolymers based on oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (OEGMA475) and di(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (MEO2MA) were synthesized by free radical polymerization. The phase transition was observed in solution and in thin immobilized copolymer layers. Further regarding the phase transition the influence of selective protein binding onto functionalized copolymers was studied. Solid surfaces were modified with thermoresponsive copolymers based on MEO2MA, OEGMA475 and 2 (4 benzoylphenoxy)ethyl methacrylate (BPEM) as photo crosslinkable groups. Thin films of 100 nm thickness were spin-casted onto silicon wafers and subsequently crosslinked and immobilized by irradiation with UV-light. Their stability is controlled by the crosslinker ratio and by the molar mass of the copolymers. For instance a washing process after crosslinking removes more unbound polymer if the polymer contains less crosslinker and has a lower molecular weight. The swellability of the films was investigated by ellipsometry. It gets higher with lower crosslinker ratio. Layers of thermoresponsive copolymers exhibited a swelling/ deswelling phase transition of the lower critical solution temperature (LCST) type. The transition is completely reversible and the transition temperature can be adjusted by the composition of the copolymers. Compared to similarly synthesized photo-crosslinked layers of the well investigated thermoresponsive copolymer poly-(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAM) the phase transition exceeds a larger temperature range. The photo-crosslinking of the OEG copolymers was accomplished in a controlled manner with light of wavelengths > 300 nm. Light of smaller wavelengths crosslinked the copolymer layers even without the presence of photosensitive groups. This effect could be exploited for a controlled immobilization and crosslinking of the OEG copolymers. As further method for crosslinking the formation of amide bonds was investigated. Therefore OEG copolymers containing 2 succinyloxyethyl methacrylate (MES) were spin-casted onto silicon substrates silanized with (3 aminopropyl)dimethylethoxysilane (APDMSi) and crosslinked with oligomeric α, ω diamine Jeffamin® ED 900. The crosslinking reaction was carried out by annealing the dry substrate. No further additives were added for the reaction. After annealing the hydrogel layers were stable against washing and showed thermoresponsive and pH responsive behaviour. In order to investigate whether the phase transition can be affected by specific protein binding, a polymerizable biotin derivative biotinyl-2-aminoethyl methacrylate (BAEMA) was integrated into the base thermoresponsive OEG copolymer. The influence of avidin on its thermoresponsive behaviour was investigated. The specific binding of avidin to the bioitinylated copolymer caused a marked shift of the transition temperature to higher temperatures. Control experiments proved that this effect can be ascribed to a specific protein binding. Thermoresponsive OEG Copolymers with photo-crosslinkable groups from BPEM and biotin groups from BAEMA were spin casted onto gold and silicon substrates and subsequently crosslinked by irradiation with UV light. The specific binding of Avidin onto the copolymer layer was investigated by surface plasmon resonance spectroscopy and ellipsometry. The binding capacity was higher if the mesh size of the hydrogel layers was higher. Upon binding of the Avidin the swellability of the layers was increased. At temperatures below the phase transition for loosely crosslinked copolymer layers an additional crosslinking effect of Avidin was observed. This effect counteracts the swelling of the hydrogel and leads to a shrinkage of the hydrogel layer.
KW  - Thermoresponsiv
KW  - OEGMA
KW  - MEO2MA
KW  - Protein
KW  - Hydrogel
KW  - Film
KW  - thermoresponsive
KW  - OEGMA
KW  - MEO2MA
KW  - protein
KW  - hydrogel
KW  - film
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66261
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sütterlin, Martin
T1  - New inverse hydogel opals as protein responsive sensors
T1  - Neue inverse Hydrogelopale als proteinresponsive Sensoren
N2  - In this work, the development of temperature- and protein-responsive sensor materials based on biocompatible, inverse hydrogel opals (IHOs) is presented. With these materials, large biomolecules can be specifically recognised and the binding event visualised. The preparation of the IHOs was performed with a template process, for which monodisperse silica particles were vertically deposited onto glass slides as the first step. The obtained colloidal crystals with a thickness of 5 μm displayed opalescent reflections because of the uniform alignment of the colloids. As a second step, the template was embedded in a matrix consisting of biocompatible, thermoresponsive hydrogels. The comonomers were selected from the family of oligo(ethylene glycol)methacrylates. The monomer solution was injected into a polymerisation mould, which contained the colloidal crystals as a template. The space in-between the template particles was filled with the monomer solution and the hydrogel was cured via UV-polymerisation. The particles were chemically etched, which resulted in a porous inner structure. The uniform alignment of the pores and therefore the opalescent reflection were maintained, so these system were denoted as inverse hydrogel opals. A pore diameter of several hundred nanometres as well as interconnections between the pores should facilitate a diffusion of bigger (bio)molecules, which was always a challenge in the presented systems until now. The copolymer composition was chosen to result in a hydrogel collapse over 35 °C. All hydrogels showed pronounced swelling in water below the critical temperature. The incorporation of a reactive monomer with hydroxyl groups ensured a potential coupling group for the introduction of recognition units for analytes, e.g. proteins. As a test system, biotin as a recognition unit for avidin was coupled to the IHO via polymer-analogous Steglich esterification. The amount of accessible biotin was quantified with a colorimetric binding assay. When avidin was added to the biotinylated IHO, the wavelength of the opalescent reflection was significantly shifted and therefore the binding event was visualised. This effect is based on the change in swelling behaviour of the hydrogel after binding of the hydrophilic avidin, which is amplified by the thermoresponsive nature of the hydrogel. A swelling or shrinking of the pores induces a change in distance of the crystal planes, which are responsible for the colour of the reflection. With these findings, the possibility of creating sensor materials or additional biomolecules in the size range of avidin is given.
N2  - In dieser Arbeit wird die Entwicklung von temperatur- und proteinresponsiven Sensormaterialien auf Basis von biokompatiblen, inversen Hydrogelopalen (IHO) vorgestellt, mit welchen die spezifische Erkennung größerer Biomoleküle visuell ausgelesen werden kann. Die Darstellung der IHOs erfolgte mittels Templatverfahren, bei dem im ersten Schritt monodisperse Silicapartikel vertikal auf Objektträger abgeschieden wurden. Die so erhaltenen Kolloidkristalle mit einer Dicke von 5 μm zeigten opaleszente Reflexionen aufgrund der gleichförmigen Anordnung der Partikel. Im zweiten Schritt wurde das Templat in eine Matrix aus biokompatiblen, thermoresponsiven Hydrogelen eingebettet. Die Comonomere wurden aus der Familie der Oligo(ethylenglykol)methacrylate ausgewählt. Zur Synthese des Hydrogels wurde die Monomerlösung in eine Polymerisationsform injiziert, welche die Kolloidkristalle als Templat beinhaltete. Die Zwischenräume der Templatpartikel wurden mit der Monomerlösung gefüllt und das Hydrogelnetzwerk per UV-Polymerisation erhalten. Die Templatpartikel wurden anschließend nasschemisch heraus gelöst, so dass eine poröse innere Struktur erhalten wurde. Die regelmäßige Anordnung der Poren und damit die opaleszenten Reflexionen wurden dabei beibehalten, so dass diese Systeme als inverse Hydorgelopale bezeichnet werden. Ein Porendurchmesser von mehreren hundert Nanometer, sowie durchgängige Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Poren sollten eine Diffusion von großen (Bio)molekülen erleichtern, was bei bisherigen Systemen ein Problem darstellte. Die Copolymerzusammensetzung wurde dabei so gewählt, dass ein Kollaps des Hydrogels über 35 °C stattfand. Alle Hydrogele zeigten ausgeprägte Quellung in Wasser unterhalb der kritischen Temperatur. Der Einbau von reaktiven Comonomeren mit Hydroxylgruppen gewährleistete dabei die Funktionalisierbarkeit des Hydrogels mit Erkennungsgruppen für entsprechende Analytmoleküle, wie z.B. Proteine. Als Testsystem wurde Biotin als Erkennungseinheit für Avidin in das Hydrogel mittels polymeranaloger Steglich Veresterung eingebaut. Die Menge an zugänglichem Biotin wurde dabei per colorimetrischem Bindungsassay quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass sich die Wellenlänge der Reflexion nach Zugabe von Avidin zum biotinylierten inversen Hydrogelopal signifikant verschob und damit das Bindungsereignis visuell auslesbar ist. Dieser Effekt beruht auf dem veränderten Quellungsverhalten des Hydrogels nach Bindung des hydrophilen Proteins Avidin in Wasser, welches durch den thermosresponsiven Charakter des Hydrogels verstärkt ist. Ein Aufweiten oder Schrumpfen der Poren ändert die Abstände der gleichmäßig angeordneten Poren, welche für die Farbe des inversen Opals verantwortlich sind. Auf Basis dieser Erkenntnisse lassen sich möglicherweise Sensormaterialen für die Erkennung weiterer Biomoleküle in der Größenordnung von Avidin erstellen.
KW  - hydrogel
KW  - opal
KW  - protein
KW  - responsive
KW  - sensor
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70179
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ulaganathan, Vamseekrishna
T1  - Molecular fundamentals of foam fractionation
T1  - Molekulare Grundlagen der Schaumfraktionierung
N2  - Foam fractionation of surfactant and protein solutions is a process dedicated to separate surface active molecules from each other due to their differences in surface activities. The process is based on forming bubbles in a certain mixed solution followed by detachment and rising of bubbles through a certain volume of this solution, and consequently on the formation of a foam layer on top of the solution column. Therefore, systematic analysis of this whole process comprises of at first investigations dedicated to the formation and growth of single bubbles in solutions, which is equivalent to the main principles of the well-known bubble pressure tensiometry. The second stage of the fractionation process includes the detachment of a single bubble from a pore or capillary tip and its rising in a respective aqueous solution. The third and final stage of the process is the formation and stabilization of the foam created by these bubbles, which contains the adsorption layers formed at the growing bubble surface, carried up and gets modified during the bubble rising and finally ends up as part of the foam layer. 
Bubble pressure tensiometry and bubble profile analysis tensiometry experiments were performed with protein solutions at different bulk concentrations, solution pH and ionic strength in order to describe the process of accumulation of protein and surfactant molecules at the bubble surface. The results obtained from the two complementary methods allow understanding the mechanism of adsorption, which is mainly governed by the diffusional transport of the adsorbing protein molecules to the bubble surface. This mechanism is the same as generally discussed for surfactant molecules. However, interesting peculiarities have been observed for protein adsorption kinetics at sufficiently short adsorption times. First of all, at short adsorption times the surface tension remains constant for a while before it decreases as expected due to the adsorption of proteins at the surface. This time interval is called induction time and it becomes shorter with increasing protein bulk concentration. Moreover, under special conditions, the surface tension does not stay constant but even increases over a certain period of time. This so-called negative surface pressure was observed for BCS and BLG and discussed for the first time in terms of changes in the surface conformation of the adsorbing protein molecules. Usually, a negative surface pressure would correspond to a negative adsorption, which is of course impossible for the studied protein solutions. The phenomenon, which amounts to some mN/m, was rather explained by simultaneous changes in the molar area required by the adsorbed proteins and the non-ideality of entropy of the interfacial layer. It is a transient phenomenon and exists only under dynamic conditions.
The experiments dedicated to the local velocity of rising air bubbles in solutions were performed in a broad range of BLG concentration, pH and ionic strength. Additionally, rising bubble experiments were done for surfactant solutions in order to validate the functionality of the instrument. It turns out that the velocity of a rising bubble is much more sensitive to adsorbing molecules than classical dynamic surface tension measurements. At very low BLG or surfactant concentrations, for example, the measured local velocity profile of an air bubble is changing dramatically in time scales of seconds while dynamic surface tensions still do not show any measurable changes at this time scale. The solution’s pH and ionic strength are important parameters that govern the measured rising velocity for protein solutions. A general theoretical description of rising bubbles in surfactant and protein solutions is not available at present due to the complex situation of the adsorption process at a bubble surface in a liquid flow field with simultaneous Marangoni effects. However, instead of modelling the complete velocity profile, new theoretical work has been started to evaluate the maximum values in the profile as characteristic parameter for dynamic adsorption layers at the bubble surface more quantitatively.
The studies with protein-surfactant mixtures demonstrate in an impressive way that the complexes formed by the two compounds change the surface activity as compared to the original native protein molecules and therefore lead to a completely different retardation behavior of rising bubbles. Changes in the velocity profile can be interpreted qualitatively in terms of increased or decreased surface activity of the formed protein-surfactant complexes. It was also observed that the pH and ionic strength of a protein solution have strong effects on the surface activity of the protein molecules, which however, could be different on the rising bubble velocity and the equilibrium adsorption isotherms. These differences are not fully understood yet but give rise to discussions about the structure of protein adsorption layer under dynamic conditions or in the equilibrium state.
The third main stage of the discussed process of fractionation is the formation and characterization of protein foams from BLG solutions at different pH and ionic strength. Of course a minimum BLG concentration is required to form foams. This minimum protein concentration is a function again of solution pH and ionic strength, i.e. of the surface activity of the protein molecules. Although at the isoelectric point, at about pH 5 for BLG, the hydrophobicity and hence the surface activity should be the highest, the concentration and ionic strength effects on the rising velocity profile as well as on the foamability and foam stability do not show a maximum. This is another remarkable argument for the fact that the interfacial structure and behavior of BLG layers under dynamic conditions and at equilibrium are rather different. These differences are probably caused by the time required for BLG molecules to adapt respective conformations once they are adsorbed at the surface.
All bubble studies described in this work refer to stages of the foam fractionation process. Experiments with different systems, mainly surfactant and protein solutions, were performed in order to form foams and finally recover a solution representing the foamed material. As foam consists to a large extent of foam lamella – two adsorption layers with a liquid core – the concentration in a foamate taken from foaming experiments should be enriched in the stabilizing molecules. For determining the concentration of the foamate, again the very sensitive bubble rising velocity profile method was applied, which works for any type of surface active materials. This also includes technical surfactants or protein isolates for which an accurate composition is unknown.
N2  - Die Fraktionierung ist ein Trennprozess, bei dem verschiedene Materialien auf Grund ihrer Eigenschaften voneinander getrennt werden. Bei der Sedimentation von Teilchen in einer Flüssigkeit dient deren unterschiedliche Dichte zu ihrer Trennung, da schwere Teilchen schneller auf den Boden des Gefäßes sinken als leichtere. Bei der Schaumfraktionierung als Trennprozess dient zur Trennung verschiedener Moleküle in einer Lösung deren Grenzflächenaktivität, d.h. das unterschiedliche Vermögen der Moleküle, sich an der Oberfläche von Gasblasen anzureichern. Durch das Aufsteigen der Blasen in der Flüssigkeit werden daher die Moleküle mit der höheren Grenzflächenaktivität stärker in der Schaumschicht angereichert als die weniger stark grenzflächenaktiven Komponenten.
Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, den Prozess der Schaumfraktionierung hinsichtlich der Trennung von grenzflächenaktiven Molekülen zu analysieren. Die Bildung von Blasen und deren anschließendes Aufsteigen in der Lösung kann als wichtigstes Element in diesem Prozess angesehen werden. Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit aufsteigender Luftblasen in Wasser eine charakteristische Größe ist, die durch die Anwesenheit grenzflächenaktiver Stoffe (Tenside, Proteine) stark verringert wird. Die vorliegende Dissertation zeigt für das ausgewählte Protein ß-Lactoglobulin und für verschiedene Lebensmittel-Tenside, dass die Messung der Aufstiegsgeschwindigkeit von Luftblasen zur Beurteilung der Anreicherung dieser Moleküle an der Blasenoberfläche ausgezeichnet geeignet ist. 
Die experimentellen Ergebnisse bei verschiedenen Lösungsbedingungen, wie Konzentration von Protein bzw. Tensid, pH-Wert und Ionenstärke der Lösung, zeigen deutlich, dass die Anreicherung der Proteinmoleküle wesentlich stärker ist als die von Tensiden. Dies gilt auch für Tenside mit einer sehr hohen Grenzflächenaktivität, was im Wesentlichen durch die extrem feste (nahezu irreversible) Anreicherung der Proteinmoleküle zu erklären ist.
Die erzielten experimentellen Ergebnisse dienen jetzt als Grundlage für die Weiterentwicklung der Theorie aufsteigender Blasen, die besonders von der Dynamik der Anreicherung der Moleküle geprägt ist. Neueste Untersuchungen haben gezeigt, dass auf der Grundlage dieser experimentellen Ergebnisse erstmals die Geschwindigkeitskonstanten der Anreicherung (Adsorption und Desorption) unabhängig voneinander ermittelt werden können.
KW  - adsorption
KW  - air-water interface
KW  - protein
KW  - foam
KW  - rising bubble
KW  - Adsorption
KW  - Wasser/Luft Grenzflächen
KW  - steigende Blasen
KW  - Schaum
KW  - Beta-Lactoglobulin
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94263
ER  -