TY - THES A1 - Sharma, Anjali T1 - Optical manipulation of multi-responsive microgels N2 - This dissertation focuses on the understanding of the optical manipulation of microgels dispersed in aqueous solution of azobenzene containing surfactant. The work consists of three parts where each part is a systematic investigation of the (1) photo-isomerization kinetics of the surfactant in complex with the microgel polymer matrix, (2) light driven diffusiosmosis (LDDO) in microgels and (3) photo-responsivity of microgel on complexation with spiropyran. The first part comprises three publications where the first one [P1] investigates the photo-isomerization kinetics and corresponding isomer composition at a photo-stationary state of the photo-sensitive surfactant conjugated with charged polymers or micro sized polymer networks to understand the structural response of such photo-sensitive complexes. We report that the photo-isomerization of the azobenzene-containing cationic surfactant is slower in a polymer complex compared to being purely dissolved in an aqueous solution. The surfactant aggregates near the polyelectrolyte chains at concentrations much lower than the bulk critical micelle concentration. This, along with the inhibition of the photo-isomerization kinetics due to steric hindrance within the densely packed aggregates, pushes the isomer-ratio to a higher trans-isomer concentration for all irradiation wavelengths. The second publication [P2] combines experimental results and non-adiabatic dynamic simulations for the same surfactant molecules embedded in the micelles with absorption spectroscopy measurements of micellar solutions to uncover the reasons responsible for the slowdown in photo induced trans → cis azobenzene isomerization at concentrations higher than the critical micelle concentration (CMC). The simulations reveal a decrease of isomerization quantum yields for molecules inside the micelles and observes a reduction of extinction coefficients upon micellization. These findings explain the deceleration of the trans → cis switching in micelles of the azobenzene-containing surfactants. Finally, the third publication [P3] focusses on the kinetics of adsorption and desorption of the same surfactant within anionic microgels in the dark and under continuous irradiation. Experimental data demonstrate, that microgels can serve as a selective absorber of the trans isomers. The interaction of the isomers with the gel matrix induces a remotely controllable collapse or swelling on appropriate irradiation wavelengths. Measuring the kinetics of the microgel size response and knowing the exact isomer composition under light exposure, we calculate the adsorption rate of the trans-isomers. The second part comprises two publications. The first publication [P4] reports on the phenomenon of light-driven diffusioosmotic (DO) long-range attractive and repulsive interactions between micro-sized objects, whose range extends several times the size of microparticles and can be adjusted to point towards or away from the particle by varying irradiation parameters such as intensity or wavelength of light. The phenomenon is fueled by the aforementioned photosensitive surfactant. The complex interaction of dynamic exchange of isomers and photo-isomerization rate yields to relative concentrations gradients of the isomers in the vicinity of micro-sized object inducing a local diffusioosmotic (DO) flow thereby making a surface act as a micropump. The second publication [P5] exclusively aims the visualization and investigation of the DO flows generated from microgels by using small tracer particles. Similar to micro sized objects, the flow is able to push adjacent tracers over distances several times larger than microgel size. Here we report that the direction and the strength of the l-LDDO depends on the intensity, irradiation wavelength and the amount of surfactant adsorbed by the microgel. For example, the flow pattern around a microgel is directed radially outward and can be maintained quasi-indefinitely under exposure at 455 nm when the trans:cis ratio is 2:1, whereas irradiation at 365 nm, generates a radially transient flow pattern, which inverts at lower intensities. Lastly, the third part consists of one publication [P6] which, unlike the previous works, reports on the study of the kinetics of photo- and thermo-switching of a new surfactant namely, spiropyran, upon exposure with light of different wavelengths and its interaction with p(NIPAM-AA) microgels. The surfactant being an amphiphile, switches between its ring closed spiropyran (SP) form and ring open merocyanine (MC) form which results in a change in the hydrophilic–hydrophobic balance of the surfactant as MC being a zwitterionic form along with the charged head group, generates three charges on the molecule. Therefore, the MC form of the surfactant is more hydrophilic than in the case of the neutral SP state. Here, we investigate the initial shrinkage of the gel particles via charge compensation on first exposure to SP molecules which results from the complex formation of the molecules with the gel matrix, triggering them to become photo responsive. The size and VPTT of the microgels during irradiation is shown to be a combination of heating up of the solution during light absorption by the surfactant (more pronounced in the case of UV irradiation) and the change in the hydrophobicity of the surfactant. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit dem Verständnis der optischen Manipulation von Mikrogelen, die in einer wässrigen Lösung eines azobenzol-haltigen Tensides mit einer kationischen Kopfgruppe, welches licht-sensitiv ist, dispergiert sind. Die Arbeit besteht aus drei Teilen, wobei jeder Teil eine systematische Untersuchung der (1) Photoisomerisierungskinetik des Tensids im Komplex mit der Mikrogel-Polymermatrix, (2) einer daraus induzierten lokalen lichtinduzierten Diffusiosmose (eng. local light driven diffusio osmosis, l-LDDO) in der Nähe von Mikrogelen und (3) der photo-responsivität von Mikrogelen bei Komplexierung mit Spiropyran darstellt. Der erste Teil umfasst drei Veröffentlichungen, von denen die erste [P1] die Photoisomerisierungskinetik und die entsprechende Isomerenzusammensetzung im photostationären Zustand dieses Tensids in Komplex mit Polyelektrolyten oder mikroskopisch kleinen Polymernetzwerken untersucht. Dabei verläuft die trans-cis-Kinetik in einem Polymerkomplex langsamer als in reinen wässrigen Lösungen, da innerhalb der Polyelektrolytnetzwerken eine erhöhte Mizellisierungstendez des licht-schaltbare Tensides vorliegt. In einer Mizelle ist die geometrische Molekülstrukturänderung vom trans- zum cis-Isomer kinetisch durch sterische Hindernisse von dicht gepackten benachbarten Tensiden gehemmt und führt dazu, dass das Isomerverhältnis bei allen Bestrahlungswellenlängen zu höheren trans-Isomerkonzentration im photostationären Zustand verschoben sind. Diese experimentellen Ergebnisse werden in der zweiten Veröffentlichung [P2] mittels nicht-adiabatische dynamische Simulationen unterstützt, wobei die Ergebnisse zeigen, dass Moleküle, welche einer Mizelle aggregiert sind, eine Abnahme der Isomerisierungsquantenausbeute mit einer gleichzeitigen Verringerung der Extinktionskoeffizienten die Verlangsamung der Kinetik bestätigen. Die dritte Veröffentlichung [P3] befasst sich mit der Kinetik des dynamischen Austauschverhalten desselben Tensids in anionischen Mikrogelen im Dunkeln aber auch unter kontinuierlicher Beleuchtung. Dabei kann die Größe des Mikrogeles bei geeigneten Beleuchtungswellenlängen zu einem lichtgesteuerten Kollaps oder Schwellen des Mikrogeles vollständig reversible induziert werden. Möglich ist dies, weil die Mikrogele als selektiver Absorber für die trans-Isomere dienen. Durch die Messung der Kinetik der Größenänderung des Mikrogels und die Kenntnis der kinetischen Daten aus den vorigen Publikationen wurde die Adsorptionsrate des trans-Isomere zum Mikrogel berechnet. Der zweite Teil umfasst zwei Veröffentlichungen. Der erste [P4] berichtet über das tiefere Verständnis der lokalen lichtinduzierten Diffusioosmose (l-LDDO) an verschiedenen Mikroobjekten, die abstoßende oder anziehende Ströme induzieren. Triebkraft dieses Mechanismus ist eine Verschiebung des cis-Isomerengleichgewichtes bei Beleuchtung und dessen resultierenden Konzentrationsgradienten der Isomere in der Nähe dieser Objekte, welche durch eine komplexe Wechselwirkung zwischen dem dynamischen Austausch von beiden Isomeren und einer unterschiedlichen Photo-Isomerisierungsrate an der Grenzfläche im Vergleich zum Kontinuum vorliegen. Stärke des l-LDDO hängt von typischen Lichtparameter (Intensität und Wellenlänge) und der Größe und Oberfläche der Mikropartikels ab. Unter geeigneten Bedingungen (hohe Lichtintensität) kann fast jede Oberfläche als Mikropumpe wirken. Die zweite Publikation [P5] befasst sich mit der Visualisierung und Untersuchung des l-LDDO von Mikrogelen unter Verwendung von kleinen Tracerpartikel. Ähnlich wie bei mikroskopisch kleinen Objekten können auch hier benachbarte Tracer über Entfernungen um ein Vielfaches größer als die Größe des Mikrogels bewegt werden. Die Richtung und die Stärke des l-LDDO hängt von der Intensität, der Wellenlänge der Bestrahlung und der Menge des vom Mikrogel adsorbierten Tensids ab. So ist beispielsweise das Strömungsmuster um ein Mikrogel radial nach außen gerichtet und kann bei einer Bestrahlung mit blauem Licht (455 nm) quasi unbegrenzt aufrechterhalten werden, während eine Bestrahlung mit UV-Licht (365 nm) mit niedrigen Intensitäten ein temporäres radial verlaufendes Strömungsmuster zum Mikrogel erzeugt. Schließlich besteht der dritte und letzte Teil dieser Dissertation aus einer Veröffentlichung [P6], die im Gegensatz zu den vorangegangenen Arbeiten über die Untersuchung der Kinetik des Photo- und Thermoschaltens eines Spiropyran basierten Tensides mit einer kationischen Kopfgruppe bei der Bestrahlung mit Licht verschiedener Wellenlängen und seiner Wechselwirkung mit Mikrogelen berichtet. Das Tensid wechselt zwischen seiner ringgeschlossenen Spiropyranform (SP) und seiner ringoffenen Merocyaninform (MC), was zu einer Änderung des hydrophilen/hydrophoben Gleichgewichts des Tensids führt. Die anfängliche Schrumpfung der Mikrogele bei der ersten Exposition gegenüber SP-Molekülen wurde untersucht, die auf einen Ladungsausgleich durch die Komplexierung der Moleküle mit der Gelmatrix zurückzuführen ist, wodurch das Mikrogel lichtempfindlich wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Temperatur des Größen- und Volumenphasenübergangs der Mikrogele unter Beleuchtung eine Kombination aus dem lichtinduzierten Austauschverhalten und der Erwärmung der Lösung durch die Lichtabsorption des Tensids ist, die unter UV-Bestrahlung besonders ausgeprägt ist. KW - optical manipulation KW - microgel KW - kinetics KW - surfactant KW - photo-isomerization KW - polymer KW - azobenzene KW - spectroscopy KW - microscopy Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Šustr, David T1 - Molecular diffusion in polyelectrolyte multilayers N2 - Research on novel and advanced biomaterials is an indispensable step towards their applications in desirable fields such as tissue engineering, regenerative medicine, cell culture, or biotechnology. The work presented here focuses on such a promising material: polyelectrolyte multilayer (PEM) composed of hyaluronic acid (HA) and poly(L-lysine) (PLL). This gel-like polymer surface coating is able to accumulate (bio-)molecules such as proteins or drugs and release them in a controlled manner. It serves as a mimic of the extracellular matrix (ECM) in composition and intrinsic properties. These qualities make the HA/PLL multilayers a promising candidate for multiple bio-applications such as those mentioned above. The work presented aims at the development of a straightforward approach for assessment of multi-fractional diffusion in multilayers (first part) and at control of local molecular transport into or from the multilayers by laser light trigger (second part). The mechanism of the loading and release is governed by the interaction of bioactives with the multilayer constituents and by the diffusion phenomenon overall. The diffusion of a molecule in HA/PLL multilayers shows multiple fractions of different diffusion rate. Approaches, that are able to assess the mobility of molecules in such a complex system, are limited. This shortcoming motivated the design of a novel evaluation tool presented here. The tool employs a simulation-based approach for evaluation of the data acquired by fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) method. In this approach, possible fluorescence recovery scenarios are primarily simulated and afterwards compared with the data acquired while optimizing parameters of a model until a sufficient match is achieved. Fluorescent latex particles of different sizes and fluorescein in an aqueous medium are utilized as test samples validating the analysis results. The diffusion of protein cytochrome c in HA/PLL multilayers is evaluated as well. This tool significantly broadens the possibilities of analysis of spatiotemporal FRAP data, which originate from multi-fractional diffusion, while striving to be widely applicable. This tool has the potential to elucidate the mechanisms of molecular transport and empower rational engineering of the drug release systems. The second part of the work focuses on the fabrication of such a spatiotemporarily-controlled drug release system employing the HA/PLL multilayer. This release system comprises different layers of various functionalities that together form a sandwich structure. The bottom layer, which serves as a reservoir, is formed by HA/PLL PEM deposited on a planar glass substrate. On top of the PEM, a layer of so-called hybrids is deposited. The hybrids consist of thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) -based hydrogel microparticles with surface-attached gold nanorods. The layer of hybrids is intended to serve as a gate that controls the local molecular transport through the PEM–solution-interface. The possibility of stimulating the molecular transport by near-infrared (NIR) laser irradiation is being explored. From several tested approaches for the deposition of hybrids onto the PEM surface, the drying-based approach was identified as optimal. Experiments, that examine the functionality of the fabricated sandwich at elevated temperature, document the reversible volume phase transition of the PEM-attached hybrids while sustaining the sandwich stability. Further, the gold nanorods were shown to effectively absorb light radiation in the tissue- and cell-friendly NIR spectral region while transducing the energy of light into heat. The rapid and reversible shrinkage of the PEM-attached hybrids was thereby achieved. Finally, dextran was employed as a model transport molecule. It loads into the PEM reservoir in a few seconds with the partition constant of 2.4, while it spontaneously releases in a slower, sustained manner. The local laser irradiation of the sandwich, which contains the fluorescein isothiocyanate tagged dextran, leads to a gradual reduction of fluorescence intensity in the irradiated region. The release system fabricated employs renowned photoresponsivity of the hybrids in an innovative setting. The results of the research are a step towards a spatially-controlled on-demand drug release system that paves the way to spatiotemporally controlled drug release. The approaches developed in this work have the potential to elucidate the molecular dynamics in ECM and to foster engineering of multilayers with properties tuned to mimic the ECM. The work aims at spatiotemporal control over the diffusion of bioactives and their presentation to the cells. N2 - Die Forschung an neuartigen und komplexen Biomaterialien ist unabdingbar für deren Einsatz in begehrten Bereichen wie der Gewebezüchtung, regenerativen Medizin, Zellkultivierung und Biotechnologie. Die hier vorgelegte Arbeit beschäftigt sich eingehend mit einem dieser vielversprechenden Materialien: Polyelektrolytische Multilayers (PEM), die aus Hyaluronsäure (Hyaluronic Acid, HA) und Poly-L-Lysin (PLL) zusammengesetzt sind. Diese gelartige Polymerbeschichtung ermöglicht es, (Bio-) Moleküle wie z.B. Proteine oder Medikamente zu akkumulieren und diese kontrolliert wieder abzugeben. Durch ihre Zusammensetzung und intrinsischen Merkmale können die PEM der Imitation einer Extrazellulären Matrix (ECM) dienen. Diese Eigenschaften machen die HA/PLL-PEM zu einem Anwärter auf verschiedene Bio-Anwendungen, wie den oben genannten. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Entwicklung eines Ansatzes zur Einschätzung der multi-fraktionellen Diffusion in Multilayers (1. Teil), und auf die Kontrolle des lokalen molekularen Transports in und aus den Multilayers durch Laser-Stimulation (2. Teil). Der Aufnahme- und Freisetzungsmechanismus wird bestimmt von der Wechselwirkung zwischen Bioaktiva und den Bestandteilen der Multilayers, sowie allgemein vom Diffusionsprozess. Der Diffusion eines Molekül in HA/PLL-PEM weist unterschiedliche Diffusionsraten einzelner Molekülbestandteile auf. Derzeit existieren nur wenige Ansätze zur Einschätzung der Mobilität von Molekülen in derart komplexen Systemen. Diesem Mangel will die vorliegende Arbeit durch das Design eines neuartigen Evaluations-Instruments abhelfen. Dieses Instrument bedient sich eines simulationsbasierten Ansatzes zur Evaluation von Daten, die durch die fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) -Methode erfasst wurden. Der Ansatz simuliert zunächst mögliche Szenarien der Fluoreszenz-Rückbildung, um diese anschließend mit Messdaten zu vergleichen; dazu werden Modell-Parameter angepasst, um suffiziente Vergleichswerte zu erzielen. Fluoreszierende Latex-Partikel verschiedener Größe und eine Fluoresceinlösung wurden als Kontroll- und Vergleichs-Proben verwendet, um die Ergebnisse zu überprüfen. Zusätzlich wurde die Diffusion des Proteins Cytochrom C in eine HA/PLL-PEM ausgewertet. Dieses Instrument weitet die Möglichkeiten der Analyse von spatiotemporären FRAP-Daten, die aus der multi-fraktionellen Diffusion stammen, erheblich und gleichzeitig ist es vielseitig einsetzbar. Das Instrument hat das Potential, die Mechanismen des Molekültransports weiter zu erhellen, und eine gezielte Steuerung der Freisetzung medikamentöser Wirkstoffe zu ermöglichen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Erstellung eines Systems zur spatiotemporären Wirkstofffreisetzung, das sich die HA/PLL-PEM zunutze macht. Dieses Freisetzungssystem umfasst verschiedene Lagen mit jeweils unterschiedlichen Funktionsweisen, die zusammen ein „Sandwich“ bilden. Die zugrundeliegende Schicht aus HA/PLL-PEM auf einem planaren Glassubstrat dient als Reservoir. Auf diese PEM ist eine Schicht sogenannter Hybride aufgebracht. Die Hybride bestehen aus thermoresponsiven Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) -basierten Hydrogel-Mikropartikeln auf deren Gold-Nanostäbchen gebunden sind. Die Hybridschicht dient in der räumlichen Kontrolle des lokalen Molekültransports als „Schlupfloch“ an der Schnittstelle von PEM und Lösung. Die Möglichkeit der Stimulation des molekülaren Transports durch Bestrahlung mit einem Nah-Infrarot-Laser (NIR) wird hier untersucht. Von den mehreren getesteten Ansätzen zur Aufbringung von Hybriden auf die PEM-Oberfläche stellte sich die Trocknung als beste Möglichkeit heraus. Funktionalitätskontrollen des hergestellten Sandwiches bei erhöhter Temperatur ergaben eine reversible Volumenphasenübergang der PEM-gebundenen Hybride, wobei die Sandwich-Struktur erhalten blieb. Weiterhin wurde eine effektive Lichtabsorption durch die Gold-Nanostäbchen in den gewebe- und zellschonenden NIR-Spektrumsbereich gezeigt, wobei die aufgenommene Lichtenergie in Wärme umgewandelt wurde. Dadurch wurde eine schnelle und reversible Schrumpfung der PEM-gebundenen Hybride erreicht. Zuguterletzt wird Dextran als Modellmolekül für den Transport eingesetzt. Dieses wird in wenigen Sekunden – mit einem Verteilungskoeffizient von 2,4 – in das PEM-Reservoir aufgenommen, während es auf langsamere, anhaltende Weise freigesetzt wird. Die lokale Laser-Bestrahlung des Dextran-FITC-haltigen Sandwiches bewirkte eine schrittweise Reduktion der Fluoreszenz-Intensität in der bestrahlten Region. Das hier vorgestellte Molekül-Freisetzungssystem verwendet die vielzitierte Photoresponsivität von Hybriden auf neuartige Weise. Die Ergebnisse der Untersuchung bedeuten einen Fortschritt in Richtung eines räumlich kontrollierten, nach Bedarf steuerbaren Freisetzungs-Systems, das wiederum den Weg zu einer spatiotemporären Kontrollierbarkeit der Wirkstoff-Freisetzung bereiten könnte. Die in dieser Arbeit entwickelten Ansätze ermöglichen ein besseres Verständnis der Dynamik in der ECM, sowie die Entwicklung ECM-ähnlicher Multilayers. Die Arbeit hat die spatiotemporäre Kontrolle der Diffusion von bioaktiven Stoffen und deren Präsentation gegenüber Zellen zum Ziel. T2 - Molekulare Diffusion in Polyelektrolyt-Multischichten KW - polyelectrolyte multilayers KW - diffusion KW - simulation KW - FRAP KW - microgel KW - drug release KW - PNIPAM KW - IR laser KW - assessment of the diffusion KW - mulifractional diffusion KW - spatially and temporally controlled drug release KW - ordering of particles on the surface KW - close packing KW - dichteste Packung KW - Diffusion KW - Einschätzung der Diffusion KW - Wirkstoff-Freisetzun KW - Mikrogel KW - multi-fraktionelle Diffusion KW - Ordnung der Partikel auf der Oberfläche KW - Polyelektrolyt-Multischichten KW - Simulation KW - räumlich und zeitlich kontrollierte Wirkstoff-Freisetzung KW - FRAP KW - IR laser KW - PNIPAM Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489038 ER - TY - JOUR A1 - Wuennemann, Patrick A1 - Noyong, Michael A1 - Kreuels, Klaus A1 - Bruex, Roland A1 - Gordiichuk, Pavlo A1 - van Rijn, Patrick A1 - Plamper, Felix A. A1 - Simon, Ulrich A1 - Böker, Alexander T1 - Microstructured Hydrogel Templates for the Formation of Conductive Gold Nanowire Arrays JF - Macromolecular rapid communications N2 - Microstructured hydrogel allows for a new template-guided method to obtain conductive nanowire arrays on a large scale. To generate the template, an imprinting process is used in order to synthesize the hydrogel directly into the grooves of wrinkled polydimethylsiloxane (PDMS). The resulting poly(N-vinylimidazole)-based hydrogel is defined by the PDMS stamp in pattern and size. Subsequently, tetrachloroaurate(III) ions from aqueous solution are coordinated within the humps of the N-vinylimidazole-containing polymer template and reduced by air plasma. After reduction and development of the gold, to achieve conductive wires, the extension perpendicular to the long axis (width) of the gold strings is considerably reduced compared to the dimension of the parental hydrogel wrinkles (from approximate to 1 mu m down to 200-300 nm). At the same time, the wire-to-wire distance and the overall length of the wires is preserved. The PDMS templates and hydrogel structures are analyzed with scanning force microscopy (SFM) and the gold structures via scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy. The conductivity measurements of the gold nanowires are performed in situ in the SEM, showing highly conductive gold leads. Hence, this method can be regarded as a facile nonlithographic top-down approach from micrometer-sized structures to nanometer-sized features. KW - 1D structures KW - Au nanoarrays KW - microgel KW - nanoimprint KW - lithography KW - thin films Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1002/marc.201600287 SN - 1022-1336 SN - 1521-3927 VL - 37 SP - 1446 EP - 1452 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER -