TY  - THES
A1  - Prevot, Michelle Elizabeth
T1  - Introduction of a thermo-sensitive non-polar species into polyelectrolyte multilayer capsules for drug delivery
T1  - Einbettung unpolarer, temperaturempfindlicher Substanzen in Polyelektrolytkapselsysteme zur Wirkstofffreisetzung
N2  - The layer-by-layer assembly (LBL) of polyelectrolytes has been extensively studied for the preparation of ultrathin films due to the versatility of the build-up process. The control of the permeability of these layers is particularly important as there are potential drug delivery applications. Multilayered polyelectrolyte microcapsules are also of great interest due to their possible use as microcontainers. This work will present two methods that can be used as employable drug delivery systems, both of which can encapsulate an active molecule and tune the release properties of the active species.  Poly-(N-isopropyl acrylamide), (PNIPAM) is known to be a thermo-sensitive polymer that has a Lower Critical Solution Temperature (LCST) around 32oC; above this temperature PNIPAM is insoluble in water and collapses. It is also known that with the addition of salt, the LCST decreases. This work shows Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) evidence that the LCST of the PNIPAM can be tuned with salt type and concentration. Microcapsules were used to encapsulate this thermo-sensitive polymer, resulting in a reversible and tunable stimuli- responsive system. The encapsulation of the PNIPAM inside of the capsule was proven with Raman spectroscopy, DSC (bulk LCST measurements), AFM (thickness change), SEM (morphology change) and CLSM (in situ LCST measurement inside of the capsules). The exploitation of the capsules as a microcontainer is advantageous not only because of the protection the capsules give to the active molecules, but also because it facilitates easier transport.  The second system investigated demonstrates the ability to reduce the permeability of polyelectrolyte multilayer films by the addition of charged wax particles. The incorporation of this hydrophobic coating leads to a reduced water sensitivity particularly after heating, which melts the wax, forming a barrier layer. This conclusion was proven with Neutron Reflectivity by showing the decreased presence of D2O in planar polyelectrolyte films after annealing creating a barrier layer. The permeability of capsules could also be decreased by the addition of a wax layer. This was proved by the increase in recovery time measured by Florescence Recovery After Photobleaching, (FRAP) measurements.  In general two advanced methods, potentially suitable for drug delivery systems, have been proposed. In both cases, if biocompatible elements are used to fabricate the capsule wall, these systems provide a stable method of encapsulating active molecules. Stable encapsulation coupled with the ability to tune the wall thickness gives the ability to control the release profile of the molecule of interest.
N2  - Verkapselung ist ein vielseitiges Werkzeug, das zum Schutz und zum Transport von Molekülen ebenso eingesetzt werden kann, wie zur Verbindung von Reaktionspartnern in einem gemeinsamen, von der Umgebung abgeschirmten Raum. Es basiert auf einem einfachen Vorbild der Natur. Pflanzen schützen ihren Samen zum Beispiel durch eine harte, nahezu undurchdringbare Schale (Nüsse) oder durch eine selektiv durchlässige Hülle, wie bei Weizen, der sobald er feucht wird zu keimen beginnt. Die Natur setzt durch den Einsatz des Hülle-Kern Prinzips sehr effizient die Kontrolle über Durchlässigkeit und Anpassung an bestimmte Aufgaben um.  Wird das Hülle-Kern-Prinzip zum Schutz oder Transport von Molekülen eingesetzt, so sind die zu verwendenden Kapseln nur wenige Mikrometer groß. Sie werden dann als Mikrokapseln bezeichnet. Zur Erzeugung dieser Mikrokapseln werden verschiedene Methoden verwendet. Der heute übliche Weg geht von einer ca. 5-10 Mikrometer großen Kugel (Kern) aus, die mit einer stabilen und an die gewünschten Eigenschaften angepassten Schicht von wenigen Nanometern versehen wird. Im Anschluss wird der Kern herausgelöst und eine hohle, stabile Kapsel erhalten.  Schichten von wenigen Nanometern Dicke können aus Polyelektrolyten durch das Layer-by-Layer-Verfahren (LbL) hergestellt werden. Dieses Verfahren eignet sich auf Grund seiner vielen Anpassungsmöglichkeiten besonders zum Aufbau der Schichten für Mikrokapseln, da sich die Eigenschaften der Beschichtung bereits beim Aufbau der Schicht auf die Bedürfnisse maßschneidern lassen. Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung von Mikrokapseln, deren Eigenschaften temperaturabhängig sind. Dies wurde auf zwei Wegen erreicht. Zum einen wurden Kapseln aus Polyelektrolyten und Wachs aufgebaut. Bei Temperaturerhöhung schmilzt das Wachs und versiegelt die Kapsel. Zum anderen werden Kapseln mit einem Wärme empfindlichen Polymer gefüllt. Bei Temperaturerhöhung kollabiert das Polymergerüst. Der enthaltene Wirkstoff wird freigesetzt.
KW  - Mikrokapsel
KW  - Polyelektrolyt
KW  - Mehrschichtsysteme
KW  - Polyelectrolyte
KW  - Multilayers
KW  - Capsule
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7785
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nolte, Marc
T1  - Integration of freestanding polyelectrolyte multilayer membranes in larger scale structures
T1  - Integratrion freistehender Polyelektrolytmembranden in makroskopische Strukturen
N2  - Ultrathin, semi-permeable membranes are not only essential in natural systems (membranes of cells or organelles) but they are also important for applications (separation, filtering) in miniaturized devices.  Membranes, integrated as diffusion barriers or filters in micron scale devices need to fulfill equivalent requirements as the natural systems, in particular mechanical stability and functionality (e.g. permeability), while being only tens of nm in thickness to allow fast diffusion times. Promising candidates for such membranes are polyelectrolyte multilayers, which were found to be mechanically stable, and variable in functionality. In this thesis two concepts to integrate such membranes in larger scale structures were developed. The first is based on the directed adhesion of polyelectrolyte hollow microcapsules. As a result, arrays of capsules were created. These can be useful for combinatorial chemistry or sensing. This concept was expanded to couple encapsulated living cells to the surface. The second concept is the transfer of flat freestanding multilayer membranes to structured surfaces. We have developed a method that allows us to couple mm2 areas of defect free film with thicknesses down to 50 nm to structured surfaces and to avoid crumpling of the membrane. We could again use this technique to produce arrays of micron size. The freestanding membrane is a diffusion barrier for high molecular weight molecules, while small molecules can pass through the membrane and thus allows us to sense solution properties. We have shown also that osmotic pressures lead to membrane deflection. That could be described quantitatively.
N2  - Die Entwicklung von “Labors auf einem Chip” hat in den vergangenen Jahren großes Interesse hervorgerufen. Diese Chips ermöglichen schnelle vor Ort Analytik, wie sie beispielsweise in Arztpraxen oder bei der Schadstoff Überwachung wünschenswert wäre. Die Entwicklung solcher Systeme stellt große Herausforderungen an Forscher verschiedenster Disziplinen.  Ein großer Vorteil solcher Systeme sind die verkürzten Reaktionszeiten durch die Verkleinerung der Dimensionen. Membranen, die als Diffusionsbarrieren oder Filter in solche Systeme integriert werden sollen, müssen den Ansprüchen an mechanische Stabilität, Funktionalität (z.B. Permeabilität) bei einer Dicke von einigen 10 nm genügen. Die Reduktion der Membrandicke ist erforderlich um die Diffusionszeiten durch die Membran zu minimieren. Polyelektrolyte sind vielversprechende Kandidaten für solche Membranen, da sie sowohl mechanisch stabil sind, als auch variabel in ihrer Funktionalität In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Integration solcher Membranen vorgestellt. Das erste Konzept basiert auf der selektiven Adhäsion von Polyelektrolytkapseln auf strukturierten Oberflächen. Für das gewählte Kapselsystem konnte bereits eine große Stabilität und eine breite Funktionalität gezeigt werden. Die Strukturierung wird durch Mikrokontaktdrucken erzielt und führt. zu attraktiven und repulsiven Bereichen auf der Oberfläche. Die Kapesladhäsion findet auf den attraktiven Bereichen statt. Auf diese Weise werden die Kapseln 2-dimensional auf der Oberfläche angeordnet. Die definierte laterale Position der Kapseln ermöglicht Anwendungen in der kombinatorischen Chemie oder der Sensorik. Der makroskopische Transfer von bis zu 50 nm dünnen Polyelektrolytmembranen auf microstrukturierte Substrate ist das zweite präsentierte Konzept zur Integration freistehender Membranen. Dabei entsteht ein großflächiger Bereich (mm2) von Millionen von Hohlräumen mit einem Volumen in der Größe von pL (10-12l). Diese Holräume können mit Reagenzien gefüllt werden. Diese reagieren durch die Membran auf Änderungen in der umgebenden Flüssigkeit. Von besonderem Interesse ist der Aspekt, daß nicht nur eingekapselte Reagenzien als Sensormaterial fungieren können, sondern auch durch die Deformation der Membran Änderungen im osmotischen Druck der Umgebung quantitativ erfaßt werden können.
KW  - Polyelektrolyt
KW  - Diffusionsbarriere
KW  - Freistehende Membranen
KW  - Kraftsensoren
KW  - polyelectrolyte membranes
KW  - force sensors
KW  - diffusion barrier
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7355
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TY  - THES
A1  - Narayanan Nair, Arun Kumar
T1  - Molecular dynamics simulations of polyelectrolyte brushes
T1  - Molekulardynamik Simulationen von Polyelektrolytbürsten
N2  - This thesis studies strong, completely charged polyelectrolyte brushes. Extensive molecular dynamics simulations are performed on different polyelectrolyte brush systems using local compute servers and massively parallel supercomputers. The full Coulomb interaction of charged monomers, counterions, and salt ions is treated explicitly. The polymer chains are anchored by one of their ends to a uncharged planar surface. The chains are treated under good solvent conditions. Monovalent salt ions (1:1 type) are modelled same as counterions. The studies concentrate on three different brush systems at constant temperature and moderate Coulomb interaction strength (Bjerrum length equal to bond length):  The first system consists of a single polyelectrolyte brush anchored with varying grafting density to a plane. Results show that chains are extended up to about 2/3 of their contour length. The brush thickness slightly grows with increasing anchoring density. This slight dependence of the brush height on grafting density is in contrast to the well known scaling result for the osmotic brush regime. That is why the result obtained by simulations has stimulated further development of theory as well as new experimental investigations on polyelectrolyte brushes. This observation can be understood on a semi-quantitative level using a simple scaling model that incorporates excluded volume effects in a free-volume formulation where an effective cross section is assigned to the polymer chain from where couterions are excluded. The resulting regime is called nonlinear osmotic brush regime. Recently this regime was also obtained in experiments.  The second system studied consists of polyelectrolyte brushes with added salt in the nonlinear osmotic regime. Varying salt is an important parameter to tune the structure and properties of polyelectrolytes. Further motivation is due to a theoretical scaling prediction by Pincus for the salt dependence of brush thickness. In the high salt limit (salt concentration much larger than counterion concentration) the brush height is predicted to decrease with increasing external salt, but with a relatively weak power law showing an exponent -1/3. There is some experimental and theoretical work that confirms this prediction, but there are other results that are in contradiction. In such a situation simulations are performed to validate the theoretical prediction. The simulation result shows that brush thickness decreases with added salt, and indeed is in quite good agreement with the scaling prediction by Pincus. The relation between buffer concentration and the effective ion strength inside the brush at varying salt concentration is of interest both from theoretical as well as experimental point of view. The simulation result shows that mobile ions (counterions as well as salt) distribute nonhomogeneously inside and outside of the brush. To explain the relation between the internal ion concentration with the buffer concentration a Donnan equilibrium approach is employed. Modifying the Donnan approach by taking into account the self-volume of polyelectrolyte chains as indicated above, the simulation result can be explained using the same effective cross section for the polymer chains. The extended Donnan equilibrium relation represents a interesting theoretical prediction that should be checked by experimental data. The third system consist of two interacting polyelectrolyte brushes that are grafted to two parallel surfaces. The interactions between brushes are important, for instance, in stabilization of dispersions against flocculation. In the simulations pressure is evaluated as a function of separation D between the two grafting planes. The pressure behavior shows different regimes for decreasing separation. This behavior is in qualitative agreement with experimental data. At relatively weak compression the pressure behavior obtained in the simulation agrees with a 1/D power law predicted by scaling theory. Beyond that the present study could supply new insight for understanding the interaction between polyelectrolyte brushes.
N2  - In dieser Arbeit werden vollständig geladene, starke Polyelektrolytbürsten untersucht. Unter Verwendung lokaler Computeserver und massiv paralleler Supercomputer wurden umfangreiche Molekulardynamik Simulationen von verschiedenen Polyelektrolytbürsten Systemen ausgeführt. Die vollständige Coulomb Wechselwirkung zwischen geladenen Monomeren, Gegen- und Salzionen wird explizit berücksichtigt. Die Polymerketten – in gutem Lösungsmittel simuliert – sind mit einem Ende an einer ungeladenen, planaren Grenzfläche verankert. Monovalente Salzionen (1:1) werden identisch wie Gegenionen modelliert. Simulationen bei konstanter Temperatur und moderater Stärke der Coulomb Wechselwirkung (Bjerrum Länge etwa gleich der Bindungslänge) konzentrieren sich auf drei Systeme: 1. Polyelektrolytbürsten ohne Salzionen mit variabler Ankerdichte der Ketten Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Polyelektrolytketten bis zu 2/3 ihrer Konturlänge gestreckt sind, wobei die Bürstenhöhe mit zunehmender Ankerdichte leicht wächst. Diese schwache Abhängigkeit steht im Widerspruch zu theoretischen Ergebnissen, die Unabhängigkeit von der Ankerdichte im so genannten osmotischen Regime vorhersagen. In der Folge haben die Simulationen sowohl weitergehende theoretische Überlegungen als auch neue experimentelle Untersuchungen an Polyelektrolytbürsten stimuliert. Zwischenzeitlich konnte die Beobachtung auf semi-quantitativer Ebene auf der Basis eines einfachen Skalenmodells verstanden werden, welches das Eigenvolumen der Polymerketten im Rahmen einer freien Volumen Näherung berücksichtigt. Dabei wird der Kette ein effektiver Querschnitt zugeordnet, von dem Gegenionen ausgeschlossen sind. Das resultierende Regime, in dem nichtlineare Entropie und Elastizität berücksichtigt sind, wird als nichtlinear osmotisches Regime bezeichnet. In der Zwischenzeit konnte dieses Regime auch experimentell verifiziert werden. 2. Polyelektrolytbürsten im nichtlinear osmotischen Regime mit variabler Salzkonzentration  Struktur und Eigenschaften von Polyelektrolyten können in einfacher Weise durch Veränderung der Salzkonzentration beeinflusst werden. Nach Pincus sollte für starke Salzkonzentration (groß gegenüber der Konzentration der Gegenionen) die Bürstenhöhe mit wachsender Konzentration abnehmen, jedoch nur als relativ schwaches Potenzgesetz mit einem Exponenten -1/3. In der Literatur sind experimentelle und theoretische Ergebnisse bekannt, die diese theoretische Vorhersage bestätigen – allerdings auch solche, die dazu im Widerspruch stehen. In einer solchen Situation sind Simulationen ein geeignetes Mittel, um theoretische Vorhersagen zu überprüfen: In der Tat bestätigen die vorliegenden Simulationsergebnisse in eindeutiger Weise die theoretische Vorhersage von Pincus. Das Verhältnis zwischen Buffer Konzentration und effektiver Ionenstärke in der Polymerschicht ist nicht nur von theoretischem Interesse, sondern hat ebenso experimentelle Relevanz. Die Simulationen zeigen, dass die mobilen Ionen innerhalb und außerhalb der Polyelektrolytbürste inhomogen verteilt sind. Ein Erklärungsversuch mit Hilfe des Donnan Gleichgewichts liefert nur für sehr kleine Salzkon-zentrationen befriedigende Übereinstimmung, ansonst ein qualitativ unterschiedliches Verhalten. Wird jedoch das Eigenvolumen der Ketten in ähnlicher Weise wie oben skizziert berücksichtigt, können die Simulationsdaten bei identischer Parameterwahl in nahezu perfekter Übereinstimmung reproduziert werden. Der erweiterte Ansatz für das Donnan Gleichgewicht in konzentrierten Systemen stellt eine interessante theoretische Vorhersage dar, die auch experimentell überprüft werden sollte. 3. Wechselwirkung zwischen zwei Polyelektrolytbürsten ohne Salz  Repulsive Wechselwirkungen zwischen Polymerbürsten haben in unterschiedlichen Zusammenhängen eine große Bedeutung, so z.B. bei der Stabilisierung von Dispersionen oder bei der Reduzierung von Reibungswiderständen in biologischen Systemen. In den vorgestellten Simulationen von zwei Polyelektrolytbürsten, die an gegenüberliegende Grenzflächen verankert sind, wird der osmotische Druck in Abhängigkeit vom Abstand D der Ankerflächen untersucht. Mit abnehmendem Abstand werden unterschiedliche Regime im Verhalten des Druckes beobachtet. Dieses Verhalten stimmt qualitativ mit experimentellen Ergebnissen überein. Für relativ schwache Überlappung folgt das Verhalten des Drucks dem theoretisch vorhergesagten 1/D Skalengesetz. Darüber hinaus liefert die Simulationsuntersuchung neue Daten zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Polyelektrolyt Bürsten.
KW  - Molekulardynamik
KW  - Polyelektrolyt
KW  - molecular dynamics
KW  - polyelectrolyte brushes
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7005
ER  -