Synthese strukturierter Hybridnanopartikel und neuartiger

Synthese strukturierter Hybridnanopartikel und
neuartiger filmbildender Polymerdispersionen
via Miniemulsionsprozess
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
in der Wissenschaftsdisziplin Makromolekulare Chemie
der Universität Ulm
vorgelegt von
Nicole Jagielski
geboren am 8.11.1979 in Berlin
Ulm, im April 2007
ii
Amtierender Dekan
Herr Prof. Dr. Klaus-Dieter Spindler
1. Gutachter
Frau Prof. Dr. Katharina Landfester
2. Gutachter
Frau Prof. Dr. Nicola Hüsing
Tag der Promotion
9.Juli 2007
iii
iv
0. Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
-3-
2. Grundlagen
2.1. Heterophasensysteme
-6-
2.1.1. Emulsionen
-6-
2.1.2. Emulsionspolymerisation
-8-
2.1.3. Miniemulsion
-11-
2.2. Polyaddition
-15-
2.3. Lanthanide
-19-
2.3.1. Gadolinium
-22-
2.3.2. Lanthanidnanopartikel
-23-
2.3.3. NMR-Shift-Reagenzien
-25-
2.4. Funktionalisierung von Partikeloberflächen
-27-
2.5. Nanokapseln
-30-
3. Messmethoden
3.1. Mikroskopische Methoden
3.1.1. Elektronenmikroskopie
-36-36-
3.1.1.1. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
-38-
3.1.1.2. Rasterelektronenmikroskopie (REM)
-39-
3.1.2. Rasterkraftmikroskopie (AFM)
-40-
3.2. Röntgenstreuung
-42-
3.3. SQUID-Magnetometer
-45-
3.4. Elektrokinetische Phänomene
-47-
3.4.1. Elektrophorese
-48-
3.4.2. Strömungspotentialuntersuchungen
-50-
3.5. Magnetresonanztomographie (MRT)
-52-
3.5.1. Spin-Gitter-Relaxation (Längsrelaxationszeit T1)
-54-
3.5.2. Spin-Spin-Relaxation (Querrelaxationszeit T2)
-57-
4. Ergebnisse und Diskussion
4.1. Wässrige PUR-Dispersionen
-58-
4.1.1. Analyse des Einflusses von Diisocyanat und NCO/OH-Verhältnis
-60-
4.1.2. Kettenverlängerung mit Ethylendiamin
-73-
4.1.3. Kontaktwinkelmessungen
-78-
4.2. Synthese von strukturierten Lanthanid-Partikeln
4.2.1. Gadoliniumhaltige PLMA-Nanopartikel
-80-801
0. Inhaltsverzeichnis
4.2.2. Variation der Lösungszeit des Komplexes in LMA
-91-
4.2.3. Variation der Tensidart und –konzentration
-93-
4.2.4. Variation des Molverhältnisses zwischen Monomer und Komplex
-97-
4.2.5. Untersuchung des Monomereinflusses
-100-
4.2.6. Variation Lanthanidion
-107-
4.2.7. Variation des Liganden
-113-
4.2.8. Funktionalisierung der Partikeloberfläche
-118-
4.2.9. Synthese von fluoreszierenden Polymerpartikeln
-122-
4.3. Verkapselung von Kontrastmitteln
-125-
4.3.1. Synthese von PUR-Nanokapseln
-129-
4.3.2. Variation der Polymerhülle
-136-
4.3.3. Variation des Magnevist® zu Wasser-Verhältnisses
-142-
4.3.4. Einfluss verschiedener Parameter auf die Teilchengröße
-144-
4.3.5. Variation des Kontrastmittels
-149-
5. Zusammenfassung
-152-
6. Summary
-159-
7. Experimenteller Teil
7.1. Synthese von PUR-Dispersionen
-164-
7.2. Herstellung strukturierter Lanthanidnanopartikel
-166-
7.3. Synthese von Nanokapseln
-171-
8. Anhang
2
8.1. Abkürzungen
-175-
8.2. Symbole
-176-
8.3. Methoden
-178-
9. Referenzen
-182-
Danksagung
-189-
Curriculum Vitae
-191-
Erklärung
-193-
1. Einleitung
Kapitel 1.
Einleitung
Erstaunen ist der Beginn der Naturwissenschaft.
(Aristoteles)
Die Nanotechnologie, welche sich vom griechischen Wort „nanos“ für „Zwerg“ ableitet, stellt
in der heutigen Zeit einen stark anwachsenden Industriezweig dar. Diese bezeichnet weniger
eine Technologie als eher einen Überbegriff für eine Vielzahl von Anwendungen und
Produkten im Nanometermaßstab, z.B. kleinste Partikel. Durch die Reduzierung von
Materialien auf Nanometerbereiche können deren Eigenschaften, wie beispielsweise das
elektrische und magnetische Verhalten sowie das Erscheinungsbild, verändert werden.
Warum sind Nanopartikel für industrielle Anwendungen so interessant? Ein wesentlicher
Punkt ist das Verhältnis seiner Oberfläche zu seinem Volumen. Je kleiner ein Partikel ist,
desto größer wird seine relative Oberfläche. Auf Grund der relativ großen Oberfläche können
Materialien aus Nanopartikeln andere mechanische, elektronische, chemische oder optische
Eigenschaften als das Ausgangsmaterial aufweisen. Es ist außerdem möglich, die
Materialeigenschaften über die Teilchengröße zu verändern.
Im industriellen Maßstab werden Nanopartikel zu anderen Stoffen bzw. Stoffgemischen
zugesetzt, um deren Eigenschaften zu verändern. Bereits jetzt werden Sonnenschutzprodukten
Titandioxidnanopartikel beigesetzt, um eine Adsorption von UV-Strahlen zu minimieren.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht in der Beschichtung von Materialien durch
Nanopartikel. Dies wird vor allem zur Verbesserung des Korrosionsschutzes sowie des
Abweisens von Bakterien, Wasser und Schmutz angewendet.
Eine
Möglichkeit
der
Herstellung
von
Partikeln
im
Nanobereich
stellt
Miniemulsionstechnik dar. Bereits 1973 entwickelte die Gruppe um Ugelstad
[1]
die
diese
Methode, welche eine spezielle Methode der Heterophasenpolymerisation darstellt.
Durch Unterdrückung von Diffusionsprozessen (Ostwald-Reifung) werden kleine und stabile
Nanotröpfchen hergestellt, welche als abgeschlossene Nanoreaktoren zu betrachten sind.
3
1. Einleitung
Dieses wird einerseits durch eine Homogenisierung der Miniemulsion durch beispielsweise
Ultraschall und andererseits durch den Zusatz eines hydrophoben Reagenz erreicht. Bei der
Ostwaldreifung handelt es sich um das Wachsen der größeren Tröpfchen zu Gunsten der
kleineren. Die Triebkraft ist der in den Tröpfchen vorhandene Laplace-Druck. Durch den
Zusatz eines hydrophoben Reagenz, welches in den Tröpfchen vorliegt, kommt es zur
Entstehung eines osmotischen Drucks in den Tröpfchen, welcher dem Laplace-Druck
entgegenwirkt und dadurch die Ostwaldreifung verhindert.
In der vorliegenden Arbeit sollen nun die Synthese und der Filmbildungsprozess von
Polyurethandispersionen,
die
Eigenschaften
von
lamellaren
anorganisch-organischen
Nanohybridmaterialien sowie deren Funktionalisierung und die Herstellung von Nanokapseln
zur Anwendung in der medizinischen Diagnostik mit Hilfe des Miniemulsionsprozesses
untersucht werden.
Die Polyadditionsreaktion zwischen einer Diol- und einer Diisocyanatkomponente zu
Polyurethan wird auf Grund der hohen Reaktivität des Diisocyanats mit Wasser meist in
organischen Medien durchgeführt. Ziel war es hier, die Miniemulsionstechnik zu nutzen, um
Polyurethandispersionen in wässrigen Medien herzustellen. Um den Filmbildungsprozess zu
optimieren und stark hydrophobe Filme herzustellen, wurden Dispersionen eine zusätzliche
Fluorkomponente zur Erhöhung der Hydrophobie der PUR-Filme zugesetzt. Der
Filmbildungsprozess wurde unter Variation des Diisocyanats und des Verhältnisses zwischen
Diol und Diisocyanat untersucht. Eine Kettenverlängerung der Polymermoleküle erfolgte zur
Herstellung von längerkettigen Polyurethanen.
Lanthanidverbindungen kommen in verschiedenen Bereichen zur Anwendungen. Hydrophobe
Komplexe,
wie
beispielsweise
Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat),
Gd(tmhd)3, werden als NMR-Shiftreagenzien verwendet, während hydrophile Verbindungen,
wie zum Beispiel Magnevist®, ein hohes Anwendungspotential als Kontrastmittel in der
bildgebenden Medizin zeigen.
Im ersten Fall wurde die Synthese von anorganisch-organischen Hybridmaterialien durch den
Zusatz von hydrophoben Lanthanidkomplexen in Miniemulsionen untersucht.
Die Verwendung des hydrophoben Komplexes führte zu Selbstorganisationsprozessen
innerhalb der erhaltenen Nanopartikel unter Ausbildung von lamellaren Strukturen.
4
1. Einleitung
Durch die Untersuchung verschiedener Reaktionsparameter, wie den verwendeten
Monomeren, dem Monomer-zu-Komplex-Verhältnis, dem Metallzentrum oder auch dem
Tensid, konnte gezeigt werden, dass die Strukturierung auf Organisationsvorgänge zwischen
dem Lanthanidkomplex und dem Tensid SDS beruht. Des Weiteren spielte die Wahl des
Monomers und die Konzentration an SDS eine wichtige Rolle.
Funktionalisierte Nanopartikel sind vor allem für die Anwendung im biologischen sowie
medizinischen Bereich von zunehmender Bedeutung. Hierzu wurden die Oberflächen von
strukturierten Gadoliniumpolymerpartikeln mit Carboxylgruppen durch Copolymerisation in
Miniemulsion funktionalisiert und diese zu ersten Untersuchungen in Zelllinien gegeben. Es
ist nun möglich, in späteren Schritten an diesen Carboxylfunktionen Kopplungsreaktionen mit
Antikörpern und Proteinen etc. durchzuführen, um den Transport von Nanopartikeln gezielt
steuern zu können. Vorteil dieser Methode ist die zusätzliche Möglichkeit der Einkapselung
von Materialen (z.B. Wirkstoffe), welche gezielt zum Wirkstoffort gelangen und dort
freigesetzt werden können.
Zusätzlich zur Einbettung von hydrophoben Lanthanidkomplexen in Polymerpartikel wurde
auch die Verkapselung von hydrophilen Gadoliniumverbindungen (z.B. Magnevist®) in
polymere Hüllen untersucht. Diese beeinflussen auf Grund des paramagnetischen Verhaltens
des Gadoliniumions die T1-gewichteten Relaxivitäten der im Körper vorhandenen Protonen
und lassen das Gewebe in MRT-Aufnahmen heller erscheinen. Da zur Kontrastierung des
Körpers hohe Dosen an Kontrastmittel nötig sind, gibt es zunehmendes Interesse an der
Verkapselung von Kontrastmitteln in Polymerpartikeln, welche sich dann nur in selektiven
Regionen im Körper befinden würden. Durch die Einbettung in eine Polymermatrix ist es
dadurch möglich, die Menge an Kontrastmittel unter Abnahme der Dosierungsmenge zu
erhöhen und gleichzeitig eine Erhöhung der Relaxivitäten zu erhalten. In dieser Arbeit wurden
die wässrigen MRT-Kontrastmittel Magnevist® und Gadovist® in Nanokapseln mit
unterschiedlichen Polymerhüllen (Polyurethan, Polyharnstoff, vernetztes Dextran) durch
einen inversen Miniemulsionsprozess eingebracht. Durch Variation von Reaktionsparametern
konnte festgestellt werden, dass die Gadoliniumverbindungen tensidische Eigenschaften
zeigen und zur zusätzlichen Stabilisierung der Kapsel vom Kapselinneren dienen.
Erste Kernspinuntersuchungen zeigten unter physiologischen Bedingungen (Pufferlösungen,
Blut etc.) für kontrasthaltige Polyurethan- sowie Dextran-Nanokapseln einen positiven Effekt
auf die T1-Relaxivität des Wassers.
5
2. Grundlagen
Kapitel 2.
Grundlagen
Discovery is seeing what everybody else has seen,
and thinking what nobody else has thought.
(Albert Szent-Gyorgi)
2.1. Heterophasensysteme
Heterophasensysteme spielen in unserem alltäglichen Leben eine wichtige Rolle. Zu solchen
Systemen zählen unter anderem Phänomene wie Nebel, Rauch oder Schäume. Eine besondere
Bedeutung wird vor allem Dispersionen und Emulsionen zugeordnet. Diese lassen sich
beispielsweise in der Lebensmittelindustrie als Fruchtsaft, Bier (Dispersionen) sowie als
Milch und Mayonaise (Emulsionen) oder auch in der pharmazeutischen Industrie in Cremen,
Schminken und Zahnpasta (Emulsionen und Dispersionen) wiederfinden. Auch für die
Kunststoffindustrie ist die Verwendung vor allem von Emulsionen zunehmend von großer
Bedeutung. So finden sie beispielsweise in Dispersionsfarben und in der Herstellung von
Kunststoffen Anwendung.
2.1.1. Emulsionen
Emulsionen sind Heterophasensysteme, welche aus zwei nicht miteinander mischbaren
Flüssigkeiten bestehen. Fein verteilte Tröpfchen einer flüssigen Phase (dispergierte Phase) in
einer zweiten flüssigen Phase (kontinuierliche Phase) können durch Einsatz von
mechanischen Kräften wie Schütteln, Rühren oder Ultraschall erhalten werden.
6
2. Grundlagen
Wird als kontinuierliche Phase Wasser verwendet, so spricht man von direkten Emulsionen
oder Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W-Emulsion), wird Öl verwendet, bezeichnet man diese
als inverse Emulsionen bzw. Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O-Emulsion).
Des Weiteren können Emulsionen hinsichtlich ihrer Teilchengröße, ihrer Thermodynamik
und ihrer Herstellung in Makro-, Mini- und Mikroemulsion unterschieden werden.
Bei der Makroemulsion wird die Ölphase durch Rühren in eine wässrige Phase dispergiert.
Der Zusatz eines Tensides begünstigt die Erhöhung der Stabilität der Emulsion. Die
Tröpfchengrößenverteilung liegt in einem breiten Bereich und durch die hohe
Tensidkonzentration liegen neben den an der Grenzfläche adsorbierten Tensidmolekülen oft
auch Mizellen in der kontinuierlichen Phase vor. Makroemulsionen sind meist instabil und
brechen nach kurzer Zeit.
Die Miniemulsion, welche in Kapitel 2.1.3. ausführlich beschrieben wird, unterscheidet sich
durch zwei grundlegende Besonderheiten von anderen Emulsionsarten.
Dem System wird ein hydrophobes Reagenz zugegeben und die Dispergierung erfolgt durch
intensives Rühren unter Energieeintrag mittels Ultraschall oder anderen hohen Scherenergien.
Dadurch können Emulsionen, die kinetisch stabil sind und Teilchengrößen im Bereich von 30
bis 550 nm aufweisen, erhalten werden.
Der Begriff Mikroemulsion wurde 1959 vom englischen Chemiker Schulman
[2]
geprägt.
Danach sind unter Mikroemulsionen disperse, makroskopisch homogene, thermodynamisch
stabile Systeme zu verstehen, die aus zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten – in
der Regel Wasser und Öl – bestehen, denen ein Tensid und häufig ein kurzkettiger
aliphatischer Alkohol als Cotensid zugesetzt werden. Mikroemulsionen erscheinen transparent
bis opak, da die Teilchengrößen mit 5 - 50 nm sehr gering sind und das Licht nur schwach
gestreut wird. Die Herstellung von Mikroemulsionen kann nur erfolgen, wenn die
Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen extrem erniedrigt werden kann und so die
thermische Energie allein zur Homogenisierung ausreicht. Diese ist nur durch hohe
Tensidkonzentrationen und Zugabe eines Cotensids möglich. Ein Cotensid ist ein
oberflächenaktives Reagenz, das zusammen mit dem Tensid die Grenzflächenspannung
weiter erniedrigt. Cotenside bilden selbst keine mizellaren Aggregate [3, 4].
7
2. Grundlagen
2.1.2. Emulsionspolymerisation
Zur
Herstellung
von
Latexdispersionen
im
industriellen
Maßstab
wird
die
Emulsionspolymerisation angewandt [5].
Dabei handelt es sich meist um radikalische Polymerisationen von nur sehr gering
wasserlöslichen Monomeren, durch welche Partikel mit Größen von 0.05 bis 5 μm
synthetisiert werden können.
In Abbildung 2.1. ist schematisch das Prinzip der Emulsionspolymerisation dargestellt. Zu
Beginn der Polymerisation liegen Monomertröpfchen mit Größen von bis zu 1 μm vor,
welche durch oberflächenaktive Substanzen, Tenside, stabilisiert werden. Tensidmoleküle
sind amphiphile Moleküle, bestehend aus einem hydrophoben Schwanz und einer hydrophilen
Kopfgruppe.
M
M
M
I
M
I
M
M
M
M
M
M
I
M
I
M
I
M – Monomer
I – Initiator
– Tensid
– Polymerkette
Abb. 2. 1. Schematische Darstellung der Emulsionspolymerisation.
Auf Grund dieser Morphologie lagern sie sich an der polar/unpolaren Grenzfläche (z.B.
Wasser/Luft oder Wasser/Öl) an, wobei die hydrophile Kopfgruppe in die umgebende
Wasserphase eintaucht und der hydrophobe Schwanz aus der wässrigen Phase herausgedrängt
wird.
8
2. Grundlagen
Tenside bilden oberhalb ihrer kritischen Mizellkonzentration (engl. critical micelle
concentration; cmc) Mizellen, in deren lipophiles Inneres nun die hydrophoben
Monomermoleküle eindringen können und sie aufquellen lassen.
Demzufolge liegen in der Emulsionspolymerisation neben Monomertröpfchen auch
monomergequollene Mizellen, leere Mizellen und gequollene Polymerpartikel vor. Zwischen
den Monomeren in den Tröpfchen und der umgebenden Wasserphase stellt sich ein
Verteilungsgleichgewicht ein.
Normalerweise wird in der Emulsionspolymerisation mit Tensidkonzentrationen oberhalb der
cmc gearbeitet. Dadurch sind mehr Mizellen (≈ 1018 cm-3) als Monomertröpfchen vorhanden.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Monomer in eine Mizelle eintritt, ist demnach wesentlich
größer als die Rückdiffusion in ein Monomertröpfchen. Es entsteht ein Diffusionsstrom aus
den Monomertröpfchen in die Mizellen. Die Monomertröpfchen wirken als Reservoir.
Der Initiator zerfällt in der wässrigen Phase und die entstandenen Radikale reagieren zunächst
mit freien Monomermolekülen, bevor sie in die Mizellen oder Monomertröpfchen hinein
diffundieren und dort die Polymerisation starten. Da die Gesamtoberfläche der Mizellen
größer ist als die Gesamtoberfläche der Monomertröpfchen (ca. 103 bis 104) findet der Start
der Polymerisation nahezu ausschließlich in den monomergequollenen Mizellen statt. Die
Polymerisation in der wässrigen Phase ist dadurch ohne jede Bedeutung.
Die Emulsionspolymerisation kann an verschiedenen Orten gestartet werden. So ist der Start
in der wässrigen Phase, in der Mizelle, in den Monomertröpfchen und an der Grenzfläche
zwischen Wasser- und Ölphase möglich. Der bevorzugte Initiierungsort stellt die wässrige
Phase dar. Monomere, die in der Wasserphase frei vorliegen, werden von Initiatorradikalen
erfasst, angelagert und zu Polymerisationskeimen umgewandelt. Für die Synthese der
endgültigen Teilchen werden nun unterschiedliche Mechanismen diskutiert. Bei einer
homogenen Keimbildung wachsen die Polymerisationskeime in der Wasserphase zu primären
Teilchen weiter und adsorbieren dabei Emulgator
[6-9]
. Beim mizellaren (heterogenen)
Mechanismus erfolgt eine Diffusion der Oligoradikale in die mit Monomer gequollenen
Mizellen, in denen dann die Polymerisation weiterläuft [10-14].
Die Kinetik des mizellaren Mechanismus wird in drei bzw. vier Intervalle eingeteilt (Abb. 2.
2.):
Nukleierung
und
Partikelbildungsphase
(I),
Partikelwachstumsphase
(II),
Monomerverarmungsphase (III) und Gelpeak (IV).
9
2. Grundlagen
vbrutto
II
I
III
IV
t
Abb. 2. 2. Kinetik der Emulsionspolymerisation nach Harkins
[15]
, Auftragung der Polymerisations-
geschwindigkeit (vbrutto) in Abhängigkeit von der Zeit (t).
In der Nukleierung und Partikelbildungsphase (I) der Polymerisation werden nahezu alle
Partikelkerne innerhalb der Mizellen gebildet. Die Polymerteilchen wachsen rasch in den
Mizellen, später in denen durch Tenside stabilisierten Teilchen. Die wachsenden Teilchen
benötigen auf Grund ihrer immer größer werdenden Oberfläche mehr und mehr
Tensidmoleküle zur Stabilisierung, welche aus den Mizellen geliefert werden. Nach einer
bestimmten Zeit sind alle Mizellen verschwunden, und die Zahl der Latexteilchen ist
weitgehend festgelegt (Ende des Intervalls I).
In der Partikelwachstumsphase II nehmen die Polymer-Monomer-Teilchen fortlaufend
Monomer auf, welches aus den Monomertröpfchen über die Wasserphase angeliefert wird.
Die Reaktionsgeschwindigkeit bleibt konstant, bis alle Monomertröpfchen verbraucht sind.
In der dritten Phase (III) kommt es zur Verarmung des Systems an Monomer. Die mit
Monomer gefüllten Polymerpartikel polymerisieren aus. Da kein Monomer aus der wässrigen
Phase
oder
den
Monomertropfen
nachgeliefert
werden
kann,
nimmt
die
Reaktionsgeschwindigkeit ab.
In der Emulsionspolymerisation kann auch ein viertes Intervall (IV) auftreten, in dem durch
den
Norrish-Trommsdorff-Effekt
eine
Erhöhung
der
Polymerisationsgeschwindigkeit
hervorgerufen werden kann. Diese Erhöhung wird in der Literatur auch als Gelpeak
bezeichnet. Mit steigender Kettenanzahl nimmt die Viskosität in den Latexteilchen zu.
Dadurch wird die Diffusion zweier Makroradikale zueinander gehemmt und die Zahl der
aktiven Teilchen pro Mizelle steigt, was in einer Erhöhung der Polymerisationsgeschwindigkeit resultiert. Ist die Viskosität so hoch, dass die Monomere nicht mehr frei
diffundieren
können,
so
Polymerisationsgeschwindigkeit.
10
kommt
es
wieder
zu
einer
Abnahme
der
2. Grundlagen
2.1.3. Miniemulsion
Das Prinzip der Miniemulsionstechnik wurde 1973 von Ugelstad et al. entwickelt
[1]
. Ein
Miniemulsionssystem bestehend aus Öl, Wasser, Tensid und Hydrophob wird einer hohen
Scherung unterworfen. Es können stabile Emulsionen und nach der Polymerisation stabile
Latices mit sehr geringen Tensidanteilen hergestellt werden. Neben dem eingesetzten Tensid
dient auch das Hydrophob zur Stabilisierung der Tröpfchen. In der älteren Literatur wird das
Hydrophob häufig als „Cotensid“ bezeichnet. Dies ist allerdings nicht korrekt, da es sich bei
der hydrophoben Substanz nicht um ein Amphiphil handelt
[16]
. Es liegt als hydrophobes
Reagenz im gesamten Tröpfchen vor und reichert sich nicht an der Phasengrenzfläche an.
In Abbildung 2.3. ist schematisch der Prozess zur Herstellung von wässrigen (direkten)
Miniemulsionen gezeigt.
Tensid
Hydrophob
Monomer
Monomer
Monomer
Polymer
Wasser
Zugabe von
Wasser und Tensid
Ultraschall
Polymerisation
Abb. 2.3. Schematische Darstellung der direkten Miniemulsionspolymerisation.
Zu Beginn des Miniemulsionsprozesses befindet sich das Hydrophob, meist Hexadekan [17, 18],
gelöst in der Monomerphase. Zu der Ölphase wird eine wässrige Tensidlösung gegeben.
Diese
Mischung
wird
nach
kräftigem
Rühren
mittels
Ultraschall
oder
eines
Hochdruckhomogenisators emulgiert [19].
11
2. Grundlagen
Durch das Einwirken des Ultraschalls wird ein Pseudo-Gleichgewicht eingestellt, welches die
Polydispersität erniedrigt und durch die vorliegenden Tenside eine maximal zu stabilisierende
Oberfläche bildet. Dadurch können Miniemulsionströpfchen mit geringen Größen erhalten
werden. Miniemulsionen werden daher direkt nach der Homogenisierung auch als „kritisch
stabilisiert“ bezeichnet
[20, 21]
. Durch eine Variation der Tensidkonzentration wird nach
ausreichender Ultraschalldauer die für das System minimal erreichbare Teilchengröße bzw.
die maximale Grenzfläche erhalten. Das bedeutet, jedes Tensidmolekül stabilisiert die
größtmögliche Fläche. Dies wird durch die bei der Homogenisierung auftretenden
Kavitationserscheinungen ermöglicht [22]. Bei Kavitation handelt es sich um einen Prozess, bei
dem die longitudinale Kompressionswelle eine Unterdruckphase schafft, die ausreicht, um die
Kohäsionskräfte einer Flüssigkeit zu überwinden. Hohlräume bzw. Dampfbläschen entstehen
und kollabieren während der anschließenden Überdruckphase. Dadurch kommt es zur
Entwicklung hoher Temperaturen und Drücke [23, 24].
Durch die implodierenden Kavitationsblasen können die Emulsionströpfchen zerreißen. Es
bilden sich kleine Tröpfchen, die wegen ihrer großen Oberfläche nicht mehr stabilisiert
werden können und teilweise aggregieren oder zusammenfließen. Dieser Prozess wiederholt
sich
mehrmals.
Zur
Stabilisierung
der
neu
geschaffenen
Tröpfchen
dient
eine
Tensidadsorption an der neu gebildeten Grenzfläche. Damit das geschieht, müssen sich die
Tröpfchen
durch
eine
zusätzliche
Strömung
vom
Haupterzeugungspunkt
der
Kavitationsbläschen, beispielsweise direkt unterhalb des Ultraschallstabes, wegbewegen [19].
Die gebildeten Tröpfchen werden anschließend durch einen wasserlöslichen Initiator aus der
kontinuierlichen Phase oder durch einen öllöslichen Starter, der der Monomerphase vor der
Emulgierung zugegeben wird, polymerisiert.
Die Stabilisierung der Nanotröpfchen erfolgt durch eine Tensid/Hydrophob-Kombination.
Die Monomertröpfchen sind im Gegensatz zur konventionellen Emulsionspolymerisation der
Nukleationsort. Wird jedes Monomer-Nanotröpfchen unabhängig voneinander polymerisiert
und weisen die Monomertröpfchen die gleiche Größe auf, so geht man von einer idealen
Miniemulsionspolymerisation
aus.
Dieses
wurde
mit
Hilfe
der
Neutronen-
Kleinwinkelstreuung (SANS) von Teilchengrößen vor und nach der Polymerisation belegt
[17, 18]
.
Um feinteilige Emulsionen herstellen zu können, müssen die kleinen Tröpfchen gegen
Koaleszenz und Ostwald-Reifung stabilisiert werden.
12
2. Grundlagen
Die
Koaleszenz
ist
definiert
als
das
Zusammenfließen
der
Tröpfchen
durch
Kollisionsvorgänge. Die Stabilisierung dagegen wird in der Regel durch Zugabe eines
Tensides erreicht. In der Literatur wird dazu meist der Gebrauch des anionischen Tensides
Natriumdodecylsulfat (SDS) beschrieben. Nur durch Tensidzugabe kann allerdings nicht die
Ostwald-Reifung kleiner Tröpfchen unterdrückt werden. Bei der Ostwald-Reifung handelt es
sich um das Wachsen größerer Tröpfchen auf Kosten der Kleineren [25].
Die Triebkraft dieses Prozesses ist der größere Laplace-Druck PL im Inneren der Tröpfchen,
der durch die stärkere Oberflächenkrümmung hervorgerufen wird. Er kann durch die
Gleichung:
PL =
2γ LL
r
(2. 1.)
mit γLL für die Grenzflächenspannung zwischen den Flüssigkeiten und r für den
Tröpfchenradius beschrieben werden.
Der Laplace-Druck ist für kleinere Tröpfchen größer als für größere, dadurch wird bei
endlicher Löslichkeit der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase Flüssigkeit aus den
kleinen Tröpfchen in die großen diffundieren. Im Fall der Miniemulsionstechnik wird die
Unterdrückung der Ostwald-Reifung durch Zugabe einer öllöslichen und nahezu
wasserunlöslichen Substanz (Hydrophob) erreicht. Dieser baut einen entgegenwirkenden
osmotischen Druck innerhalb der Tröpfchen auf [26] (siehe Abbildung 2.4.).
Abb. 2.4. Unterdrückung der Ostwald-Reifung durch Zugabe einen Hydrophobs.
Der osmotische Druck kann nach folgender Formel berechnet werden,
Π osm =
nRT
4 3
πr
3
(2. 2.)
13
2. Grundlagen
mit Πosm - osmotischer Druck, n - Zahl der Hydrophobmoleküle, R - ideale Gaskonstante, T Temperatur und r - Tröpfchenradius.
Neben der Öl-in-Wasser-Miniemulsion (direkte Miniemulsion) kann auch der inverse Fall, in
welcher eine wässrige Phase in einem organischen Lösungsmittel dispergiert ist, genutzt
werden (Abb. 2.5.).
Tensid
Lipophob
Monomer
Monomer
Öl
Zugabe von
Öl, Tensid
Polymer
Ultraschall
Polymerisation
Abb. 2.5. Schematische Darstellung der indirekten Miniemulsionspolymerisation.
Statt eines Hydrophobs wie bei direkten Miniemulsionen wird hier ein Lipophob eingesetzt.
Üblicherweise handelt es sich dabei um Salze, da sie eine geringe Löslichkeit in organischen
Medien aufweisen [27].
Im Vergleich zur direkten Miniemulsionspolymerisation ist die Auswahl an einsetzbaren
Tensiden beschränkt. Zur Herstellung von stabilen inversen Dispersionen werden
beispielsweise
Natrium-bis(2-ethylhexyl)-sulfosuccinat (AOT), Sorbitmonoleat (Span 80)
oder auch nichtionische Blockcopolymere als Tenside eingesetzt. Als am effektivsten hat sich
dabei
das
amphiphile
herausgestellt (Abb. 2.6.).
14
Blockcopolymer
Poly[(ethylen-co-butylen)-b-(ethylenoxid)]
2. Grundlagen
O
n
m
O
O
p
Poly[(ethylen-co-butylen)-b-(ethylenoxid)]
Abb. 2. 6. Strukturformel des amphiphilen Blockcopolymers P(B/E-b-EO).
2.2. Polyaddition
Bei einer Polyaddition handelt es sich um eine Stufenwachstumsreaktion [28-30]. Die Synthese
von Polymeren erfolgt über die schrittweise Reaktion zweier mindestens bifunktionalisierter
Monomere. Im Unterschied zur Kettenpolymerisation zeigen die Zwischenprodukte die
gleiche Reaktivität wie die Monomere. Das Kettenwachstum erfolgt nicht über
Monomeranlagerung, sondern durch Verknüpfung bereits gebildeter Oligomere oder
polymerer Kettenmoleküle.
Durch Zugabe von Katalysatoren, meist tertiären Aminen, Zinnverbindungen oder
Säurechloriden, können die Reaktionsgeschwindigkeiten durch Aktivierung der funktionellen
Gruppen mittels Wärmezufuhr erhöht werden.
Die Stufenreaktionen lassen sich auf Grund der verwendeten Monomere in zwei Gruppen
einteilen. Bei der ersten Gruppe reagieren zwei polyfunktionelle Monomere miteinander,
wobei jedes Monomer nur eine Funktionalitätsart trägt (z.B. A-A, B-B). Monomere, welche
mehr als eine Funktionalität aufweisen, stellen die zweite Gruppe dar (z.B. A-B).
Die Durchführung von Polyadditionen kann je nach Stabilität und Reaktivität der Monomere
und Polymere in der Schmelze oder in Lösung, an der Phasengrenzfläche, in Kristallen und in
der
Gasphase
erfolgen.
Außerdem
können
sie
homogen
oder
heterogen
sowie
diffusionskontrolliert oder nicht-diffusionskontrolliert ablaufen.
Vereinfacht kann man auch sagen, dass es sich bei der Polyaddition um die Anlagerung
funktioneller Gruppen entweder an Doppelbindungen oder unter Ringöffnung an Ringe
handelt. Polyadditionsreaktionen können in zwei Methoden klassifiziert werden. Es kann zur
Polyaddition zwischen a) Diepoxiden und Diaminen zur Bildung von Polyepoxiden sowie
zwischen b) Diisocyanaten und Diolen zur Bildung von Polyurethanen kommen.
15
2. Grundlagen
Die Reaktion zwischen Diepoxiden und Diaminen erfolgt durch die Anlagerung funktioneller
Gruppen an Ringe. Im ersten Schritt dieser Additionsreaktion erfolgt die Reaktion von
Diepoxiden mit Diaminen unter Ringöffnung (Abb. 2.7.) Die gebildeten Hydroxy- und
sekundären Amingruppen können im zweiten Schritt mit weiteren Epoxidgruppen reagieren.
Die ringöffnende Additionsreaktion wird bei der Härtung (Vernetzung) von Epoxiden genutzt.
R
+
O
HN2
R1
N2H
O
Diamin
Diepoxid
OH
C
H2
OH
C
R
H2
C
C
H
N
H
R1
N
H
H
Abb. 2.7. Darstellung der Ringöffnungsreaktion bei der Addition von Diaminen an Diepoxiden.
Wie in Abb. 2.8. dargestellt, handelt es sich bei der Synthese von Polyurethanen um die
Polyaddition von Diisocyanaten mit Diolen.
HO
R
+
OH
O
C
N
Diol
R1
N
C
O
Diisocyanat
#
R1
N
C
O
H
O
R
O
R
O
R1
O
N
H
N
H
Zwischenzustand
Urethan-Gruppe
Abb. 2.8. Schematische Darstellung der Polyaddition von Diolen mit Diisocyanaten unter Bildung von
Polyurethan.
Die Reaktion führt im einfachsten Fall zur Bildung linearer Polymere. Durch Verwendung
von multifunktionalen Edukten können verzweigte oder vernetzte Strukturen erhalten werden.
Die Eigenschaften und die Steifheit der Gruppen R und R1 in den Ausgangsstoffen steuern die
Materialeigenschaften des Produkts. Damit zusammen hängen die Flexibilität oder Härte und
somit die Anwendungsmöglichkeiten des gebildeten Polyurethans.
16
2. Grundlagen
Wie in Abb. 2.8. zu erkennen, handelt es sich bei der Kettenwachstumsreaktion um eine
Addition ohne Eliminierung eines kleinen Moleküls, z.B. Wasser.
Durch die hohe Elektrophilie des Kohlenstoffatoms in der Isocyanatgruppe können
nucleophile Reagenzien wie beispielsweise Alkohole, Säuren, Wasser, Amine und
Mercaptane, diese angreifen. Durch Variation des Substituenten R1, z.B. ein aromatischer
Ring, lässt sich die Elektrophilie des Kohlenstoffatoms weiter steigern. Daher zeigen
aromatische Diisocyanate eine höhere Reaktivität als ihre aliphatischen Analoga
[31]
.
Polyurethane bieten breit gefächerte Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise in
Schaumstoffen, Fasern, Gummi, Klebstoffen und Dichtungsmaterialien. Auf Grund ihrer
Biokompatibilität können diese auch als Biomaterialien verwendet werden [32].
Zunehmend finden auch Polyurethandispersionen Einsatz. Sie können einerseits als
Klebstoffe und andererseits als Beschichtungsmaterial für Textilien, Kunststoffe, Metalle und
Holz genutzt werden
[33]
. Das starke Interesse von Seiten der Industrie für wässrige PUR-
Dispersionen liegt vor allem in den guten Eigenschaften wie Elastizitäts- und
Abriebverhalten. Auf Grund der hohen Sensibilität der Isocyanatkomponenten zu Wasser
werden Polyurethane normalerweise in organischen Lösungsmitteln hergestellt. Wässrige
PUR-Dispersionen werden daher meist in einem Zweistufenprozess synthetisiert. Zuerst wird
ein PUR-Prepolymer durch Polyadditionsreaktion in organischem Medium hergestellt, dieses
im anschließenden zweiten Schritt in Wasser dispergiert und das organische Lösungsmittel
mittels Destillation entfernt [34].
Um die Herstellung von Polyurethandispersionen zu verbessern, wäre es von Vorteil, die
Synthese
in
einem
Emulsionspolymerisation
Eintopfverfahren
durchzuführen.
direkt
Mit
der
im
in
wässrigen
Kapitel
Medium
2.1.2.
mittels
beschriebenen
Emulsionspolymerisation werden allerdings hauptsächlich Polymere durch radikalische
Polymerisationen hergestellt. Ein Grund hierfür ist, dass bei der Emulsionspolymerisation das
Monomer durch die wässrige Phase zum Reaktionsort diffundieren muss. Bei Polyadditionen
mit zwei unterschiedlich funktionalisierten Monomeren würde auf Grund der verschiedenen
Löslichkeiten durch den Prozess des Diffundierens die Stöchiometrie der Reaktionspartner
gestört werden und somit können nur niedrige Umsätze erhalten werden. Auf Grund der
hohen Reaktivität der Monomere ist eine Abreaktion mit dem umgebenden Wasser möglich.
Daraus resultieren geringe Umsätze an Polymeren.
17
2. Grundlagen
Da das Prinzip der Miniemulsionspolymerisation als Nanoreaktorkonzept verstanden werden
kann, in dem die Tröpfchen auspolymerisieren und die Diffusion des Monomers durch die
kontinuierliche Phase vernachlässigt werden kann, stellt diese Methode eine einfache
Möglichkeit zur Synthese von Polyurethanen in wässrigen Medien dar.
Die Gruppe um Schork et al. synthetisierte Hybrid-Miniemulsionen acrylischer Monomere in
Gegenwart von ölmodifizierten Polyurethanen. Hierbei wirken die gebildeten Polyurethane
sowohl als Reaktanden als auch als Hydrophobe [35].
Frühere Arbeiten unserer Arbeitsgruppe beschäftigten sich bereits mit der Synthese von
Polyurethanpartikeln
in
einem
„Eintopfverfahren“.
Tiarks
et
al.
synthetisierten
Polyurethanpartikel durch Variation der Diolkomponente (1,6-Hexandiol, Bisphenol A und
Neopentylglycerol)
[36]
. Mit dem Diisocyanat Isophorondiisocyanat (IPDI) konnten stabile
Dispersionen mit Polymerteilchen von 200 nm hergestellt werden, welche hinsichtlich ihrer
thermischen Eigenschaften (Tg) und mit Hilfe von FTIR-Spektroskopie analysiert wurden.
Spätere Arbeiten befassten sich mit der Untersuchung des Einflusses verschiedener
Reaktionsparameter
(Katalysator,
Menge
an
Diol
und
Diisocyanat)
auf
die
Polyadditionsnebenreaktionen [37]. Dabei konnten Molekulargewichte von bis zu 80.000 g/mol
erhalten werden. Des Weiteren wurde hier die Polyaddition mit einer radikalischen
Polymerisation
kombiniert,
um
in
einem
Schritt
Polyurethan/Polystyrol-
und
Polyurethan/Polybutylacrylat-Nanopartikel mit Größen von 90 bis 130 nm zu synthetisieren.
Durch Anwendung der gleichen Methode konnten Polyurethan-block-Polystyrol-Nanopartikel
mittels der Miniemulsionstechnik hergestellt werden
[38]
. Zur Herstellung solcher
Nanopartikel erfolgte in einem ersten Schritt die Synthese eines PUR-Makroinitiators, an dem
in einem zweiten Schritt die radikalische Polymerisation von Styrol durch Zugabe eines
Katalysators erfolgte. Durch Untersuchungen mit GPC und 1H-NMR-Spektroskopie konnten
45 Gew-% Copolymer und 28 Gew-% Polystyrolhomopolymer gefunden werden. TEMAufnahmen zeigten dabei, dass die Menge an Copolymer ausreichend ist, um homogene
Partikel zu erhalten. In den Partikeln liegt demnach eine homogene Mischung aus PUR und
Polystyrol vor.
Torini et al. nutzten die Miniemulsionstechnik zur Herstellung von Polyurethannanokapseln
durch Grenzflächenpolyaddition
[39]
. Die Reaktion erfolgte im organischen Medium mit den
Reaktanden IPDI und 1,6-Hexandiol an der Grenzfläche der Tropfen. Dadurch konnten stabile
Polyurethannanokapseln mit Größen von ~ 200 nm erhalten werden. Die Forschungsgruppe
um Soldi, Borsale und Cramail synthetisierte monodisperse Polyurethanpartikel mit Größen
von 200 bis 400 nm [40].
18
2. Grundlagen
Die Polyadditionsreaktion erfolgte unter Verwendung eines natürlichen Triols (Rizinusöl) und
Isophorondiisocyanat (IPDI). Als hydrophobes Reagenz wurde Olivenöl und als
Tensidkomponente SDS, Tween 80 oder Pluronic F68 verwendet.
2.3. Lanthanide
Die auch als „Seltene Erden“ bezeichneten Lanthanide umfassen die größte Gruppe natürlich
vorkommender Elemente im Periodensystem. Der Begriff „Seltene Erden“ stammt aus der
Zeit, als angenommen wurde, diese Elemente hätten erdartigen Charakter. Wie in Tabelle 2.
1. zusammengefasst, werden zu den Lanthaniden die Elemente Lanthan und die 14 im
Periodensystem folgenden Elemente gerechnet.
19
2. Grundlagen
Tab. 2. 1. Lanthanide und ihre Eigenschaften.
Ordnungszahl
Name
(Symbol)
Elektronenkonfiguration
Oxidationsstufe
57
Lanthan (La)
[Xe]6s25d14f0
+3
58
59
60
61
62
63
Molare
Masse
(g/mol)
138,91
Cer
(Ce)
Praseodym
(Pr)
Neodym
(Nd)
[Xe]6s25d14f1
+3, +4
140,12
[Xe]6s25d14f2
+3, +4
140,91
[Xe]6s25d14f3
+2, +3
144,24
Promethium
(Pm)
Samarium
(Sm)
[Xe]6s25d14f4
+3
146,92
[Xe]6s25d14f5
+2, +3
150,36
Europium
(Eu)
[Xe]6s25d14f6
+2, +3
151,96
64
Gadolinium
(Gd)
[Xe]6s25d14f7
+3
157,25
65
Terbium
(Tb)
[Xe]6s25d14f8
+3, +4
158,93
66
Dysprosium
(Dy)
[Xe]6s25d14f9
+2, +3
162,50
67
Holmium
(Ho)
Erbium
(Er)
Thulium
(Tm)
Ytterbium
(Yb)
[Xe]6s25d14f10
+3
164,93
[Xe]6s25d14f11
+3
167,26
[Xe]6s25d14f12
+2, +3
168,93
[Xe]6s25d14f13
+2, +3
173,04
Lutetium
(Lu)
[Xe]6s25d14f14
+3
174,97
68
69
70
71
Verwendung
La2O3: in hochbrechenden
Gläsern
LaB6:elektrischer Leiter als
Elektronen-Emitter für
Elektronenmikroskope
YAG=Y3Al5O12: in
Bildschirmröhren
Katalysator, Gelbfärben von
Gläsern
Nd-YAG: als Lasermaterial
Nd2Fe14B: eines der besten
Materialien für
Permanentmagnete
Strahlungsquelle für Dickenund Füllstandsmessung
in Form intermetallischer
Verbindungen mit Cobalt als
Permanentmagnet
Eu-dotiertes Y2O2S: roter
Leuchtstoff in Monitoren und
Fernsehern
Eu-dotiertes Y2O3: für
Energiesparlampen
Tb-Gd2O2S: grüner
Leuchtstoff bei
Radarbildschirmen
Kontrastmittel in Medizin
Tb-Fe-Co-Legierungen: für
magneto-optische 'MiniDiscs'
Verbesserung der
magnetischen Eigenschaften
der Dauermagneten
Herstellung von
Hochleistungsmagneten
Vergütung von Gläsern und
zur Laserherstellung
Lasertechnik
Lasertechnik,
Ytterbiumfluorid: in den
neuen Zahnfüllungen
-
Lanthanide zeigen eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Auf Grund ihrer
magnetischen, elektronischen und optischen Eigenschaften werden sie häufig in der
Lasertechnik (z.B. Er, Yb), bei der Herstellung von Magneten (z.B. Nd, Dy) und zur
Bildgebung in Leuchtstoffen (z.B. Eu, Ce) verwendet.
20
2. Grundlagen
Des Weiteren werden Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Pr, Yb in Komplexen als NMR-ShiftReagenzien [41] und als Katalysatoren für organische Synthesen [42] eingesetzt.
Bei Lanthaniden handelt es sich um silbrig-glänzende, relativ weiche und reaktive Metalle.
Sie können schnell an Luft oxidieren und verändern dadurch ihr Erscheinungsbild von
glänzend zu matt. In Wasser zersetzen sie sich unter Freisetzung von Wasserstoff.
Lanthanide verhalten sich auf Grund der ähnlichen Struktur ihrer Valenzschale chemisch wie
die Elemente der 3. Gruppe im Periodensystem (Sc, Y). Wie die Actinide gehört die Gruppe
der Lanthanide zu den inneren Übergangselementen oder f-Block-Elementen, da die f-Orbitale
nicht vollständig mit Elektronen gefüllt sind. Das 4f-Orbital wird beginnend mit Cer bis
Lutetium vollständig aufgefüllt. Die 4f-Orbitale liegen tief im Atominneren, so dass sie wenig
Einfluss auf das chemische Verhalten der Lanthanide zeigen und dadurch sich die einzelnen
Elemente in ihren chemischen Eigenschaften ähneln. Auf Grund dessen wurde bei der
Entdeckung von Yttererde im Jahr 1794 angenommen, es handle sich um ein Element.
Die Atom- und Ionenradien dreiwertiger Lanthanidionen nehmen auf Grund der Zunahme der
Kernladung mit zunehmender Ordnungszahl ab. Dieses Phänomen wird auch als LanthanidKontraktion bezeichnet. Diese bewirkt, dass sich die Atom- und Ionenradien der Elemente,
die zwischen denen der Lanthanide stehen, ähnlich verhalten. Dies gilt besonders für die
Elementpaare Zr/Hf, Nb/Ta, Mo/W.
Für die Anwendungen sind vor allem die magnetischen und spektralen Eigenschaften
interessant. Da bei den meisten Lanthanidelementen die 4f-Niveaus mit bis zu 7 ungepaarten
Elektronen besetzt sind, weisen sie einen starken Paramagnetismus auf. Paramagnetische
Substanzen besitzen positive Suszeptibilitäten und magnetisieren in einem externen
Magnetfeld, indem sie das Magnetfeld in ihrem Innern effektiv verstärken. Im Unterschied zu
den d-(Übergangs)-Elementen werden die f-Zustände hier nicht durch die chemische
Umgebung beeinflusst. Dadurch treten scharfe Absorptionsbanden der f-f-Übergänge, und
somit immer die gleiche Farbe auf
[43, 44]
. Der Paramagnetismus von Lanthaniden kann durch
das Curie-Weiss-Gesetz beschrieben werden:
χ para =
C
T −Θ
In Gleichung 2.3. wird die paramagnetische Curie-Temperatur mit Θ beschrieben
(2.3.)
[45]
. Die
paramagnetische Curie-Temperatur kann sowohl positiv als auch negativ sein.
21
2. Grundlagen
Die magnetischen Dipole der Teilchen sind nicht unabhängig voneinander, dadurch wird ihre
Orientierung durch die Orientierung der Nachbardipole beeinflusst. Aus der Curie-Konstante
C kann das effektive magnetische Moment μ bestimmt werden:
C=
N Aμ 2
3k B
(2.4.)
Für jedes Lanthanidion sind der Spin S und der Bahndrehimpuls L direkt verbunden mit der
Quantenzahl J. Daraus ergibt sich für das magnetische Moment:
μ = μ B g J J ( J + 1)
(2.5.)
Der Landé-Faktor gJ wird beschrieben durch:
gJ = 1+
J ( J + 1) + S ( S + 1) − L( L + 1)
2 J ( J + 1)
(2.6.)
Die Hundsche Regel gibt die Werte für die Quantenzahl J, den Spin S und den
Bahndrehimpuls L.
2.3.1. Gadolinium
Das Element Gadolinium zeigt auf Grund seiner guten magnetischen Eigenschaften (7,9 μB)
ein hohes Potential für Anwendungen in der Medizin. Hydrophile Gadoliniumverbindungen
werden
daher
bereits
als
(Kernspintomographie) eingesetzt
Kontrastmittel
in
der
medizinischen
Diagnostik
[46]
. In diesem Fall beeinflussen die paramagnetischen
Gadoliniumionen die Relaxivität der Protonen des im Körper vorhandenen Wassers und
erwirken dadurch eine Kontrastierung im aufgenommenen Bild zwischen unterschiedlichen
Geweben.
Des Weiteren werden Gadoliniumkomplexe als NMR-Shift-Reagenz
Neutrontherapie [47] eingesetzt.
22
[41]
oder auch in der
2. Grundlagen
Die in Abbildung 2.9. gezeigten Gadoliniumkomplexverbindungen, Gd-DTPA (Komplex im
Kontrastmittel Magnevist®)
werden
auf
Grund
[48]
ihrer
und Gd-DOTA (Komplex im Kontrastmittel Dotarem®)
hydrophilen
Eigenschaften
als
Kontrastmittel
in
[49]
der
Kernspintomographie [engl. Magnetic Resonance Imaging (MRI) oder Magnetic Resonance
Tomography (MRT)] eingesetzt. Beide Gadoliniumkomplexe besitzen ein niedriges
Molekulargewicht und sind wasserlöslich. Um das niedrige Molekulargewicht zu erhöhen und
damit den osmotischen Druck zu übergehen, können Gadoliniumionen oder –komplexe direkt
mit synthetischen oder natürlichen Polymeren wie beispielsweise Copolymere aus
Polyethylenglycolamin-Derivaten
[50]
, Stärke
[51]
, Dextran
[52]
[53]
, Albumin
, Homopolypeptid
[54]
, Dendrimer [55], Liposomen [56] oder Polyaminosäuren [57] gekoppelt werden.
-
COO-
COO
-
OOC
N
-
OOC
O
O
O
N
N
COOGd
-
O
N
3+
N
Gd
N
N
OO
O-
O
a)
b)
b)
Abb. 2.9. Strukturformeln von a) Gd(DTPA), [Gadolinium-(diethylentriaminpentaessigsäure)] und
b) Gd(DOTA), [Gadolinium-(1,4,7,10-tetraazacyclododecantetraessigsäure, Gadotersäure)].
2.3.2. Lanthanidnanopartikel
Auf Grund der hohen Dosen an Kontrastmittel, die bei der medizinischen Diagnostik
(Kernspintomographie) nötig sind, gibt es erste Ansätze, gadoliniumhaltige Verbindungen in
Polymerpartikeln einzukapseln, um die einzusetzende Menge zu verringern und gleichzeitig
die Relaxationszeiten des paramagnetischen dreiwertigen Gadoliniumions zu erhöhen.
Frühere Arbeiten befassten sich weniger mit der medizinischen Verwendung von
Lanthanidpartikeln als vielmehr mit der Untersuchung der Lumineszenzeigenschaften von
wasserlöslichen Nanopartikeln. Van Veggel et al. entwickelte in diesem Zusammenhang eine
Methode, um Ln3+ enthaltene LaF3, LaPO4 und LaVO4 Nanoteilchen zu synthetisieren und
diese hinsichtlich ihrer NMR-Relaxation und Lumineszenz zu analysieren [58-62].
23
2. Grundlagen
Auch
besteht
ein
großes
Lanthanidoxidnanopartikeln.
Interesse
Hierzu
an
den
synthetisierten
Lumineszenzeigenschaften
Dosev
et
al.
von
europiumhaltige
Gadoliniumoxidnanopartikel (Eu:Gd2O3) durch Spraypyrolyse. Die Nanooxidpartikel wiesen
Größen von 5 bis 200 nm auf und können auf Grund ihrer guten Lumineszenzeigenschaften
im Bereich des Proteinmikropatterns verwendet werden [63].
Durch die Anwendung der Layer-by-Layer-Technik konnten Caruso et al. Filme aus LaPO4Nanopartikel herstellen
[64]
. Die synthetisierten Lanthanidnanopartikel bilden durch
elektrostatische Wechselwirkungen auf Quartz und Polystyrolmikropartikel mit Hilfe von
entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten dünne fluoreszierende Filme. Es zeigte sich, dass
die hergestellten Filme die gleichen UV- und Fluoreszenzeigenschaften aufwiesen wie die
wässrige Lanthanidnanopartikel enthaltende Dispersion. Eine Funktionalisierung der LaPO4und LaPO4/PS-Nanopartikel zeigt großes Potential in der biologischen Anwendung.
Zur Anwendung von Gadoliniumpartikeln in der Kernspintomographie synthetisierten Wooley
et al. Kern-Schale-Morpholgien aus amphiphilen Polymeren (PAA52-b-PMA128), welche
durch
Amidierung
mit
Ethylaminen
vernetzt
wurden.
Diese
Nanopartikel
mit
hydrodynamischen Durchmessern von 40 ± 3 nm sind wegen ihrer Nichttoxizität vor allem
für den Transport von Materialien in biologischen Systemen interessant. An diesen
amphiphilen Kern-Schale-Polymerpartikel erfolgte die kovalente Bindung des hydrophilen
Gd-DTPA-Komplexes. Auf Grund der hydrophilen Schale, in denen die Gadoliniumionen
vorliegen, wurde mittels MRT ein schnellerer Wasseraustausch im Körper und eine dadurch
bedingte Erhöhung der Relaxationszeiten der im Körper vorhandenen Protonen nachgewiesen
[65]
.
Reynolds et al. veröffentlichten im Jahr 2000 die Synthese von Gd3+-funktionalisierten
Polymerteilchen mittels Emulsionspolymerisation über einen Dreistufenprozess zur
Anwendung in der Kernspintomographie
[66]
. Der Polymerkern besteht aus Methacrylsäure
(MAA), welche mit dem später zugegebenen Gadoliniumnitrat einen Komplex bildet. Im
abschließenden Schritt wird der metallbeschichtete Polymerkern durch eine zweite
Emulsionspolymerisation mit einer Polymerhülle versetzt. Die hergestellten anorganischen
Polymerteilchen weisen Größen um 120 nm auf.
Auf Grund der geringen Größen sind diese Teilchen klein genug, um durch die Gefäßwände
zu gelangen. In MRT-Untersuchungen weisen sie eine Reduktion der Relaxationszeiten
(Erhöhung der Relaxivität) auf und zeigen somit eine gute Anwendungsmöglichkeit als
Kontrastmittel.
24
2. Grundlagen
Neben dem Einsatz von hydrophilen Gadoliniumkomplexen in der Kernspintomographie ist
auch die Anwendung von Gadoliniumverbindungen in der Neutron-Capture-Therapie wichtig.
Miyamato et al. beispielsweise synthetisierten Gd-DTPA-SA-enthaltene Lipidemulsionen
durch die „Thin-Layer-Hydration“-Methode
[67]
. Eine Standardemulsion bestand aus Sojaöl,
Wasser, Gd-DTPA-SA und Phosphatidylcholin in einem Gewichtsverhältnis von 7.36:92:1:2.
Es wurden Partikelgrößen von 280 nm erhalten. Durch den Einsatz von Cotensiden konnte
die
Teilchengröße
auf
unter
100
nm
gebracht
werden.
Durch
eine
neuartige
Emulsionströpfchen-Koaleszenztechnik konnten Okumitsu et al. im Jahr 1999 Gd-DTPA
enthaltende Chitosanmikropartikel herstellen
[68]
. Diese wurden mit 100% deacetyliertem
Chitosan und einem Anteil von ~ 3% Gadolinium synthetisiert.
2.3.3. NMR-Shift-Reagenzien
Auf Grund ihrer optischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften werden
Gadolinium- bzw. Lanthanidverbindungen auch als
NMR Shift Reagentien eingesetzt.
Verschiedene Lanthanidionen (Gd3+, Dy3+, Eu3+, Ho3+, Yb3+) sind über CoulombWechselwirkungen mit einwertigen Liganden verbunden. Dabei handelt es sich in den
meisten Fällen um die Liganden tmhd [Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat)] und fod
[(1,1,1,2,2,3,3-heptafluor-4,6-oktandionat)]. In Abbildung 2.10. ist die Struktur des
Komplexes Gd(tmhd)3 abgebildet.
C(CH3)3
C
O
Gd
HC
C
O
C(CH3)3
3
Abb. 2.10. Struktur des Komplexes Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat) Gadolinium(III), Gd(tmhd)3.
Gadoliniumionen besitzen auf Grund ihrer Elektronenkonfiguration eine Koordinationszahl
von 9. Wie in Abbildung 2.10. zu sehen, besetzt der Ligand [Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5heptandionat)] (tmhd) davon 6. Die restlichen drei Koordinationsstellen stehen somit anderen
Verbindungen (Liganden, Wasser etc.) zur Verfügung.
25
2. Grundlagen
In früheren Arbeiten konnte bereits die Synthese von Polymernanopartikeln durch eine
Heterophasenpolymerisation von Butylacrylat (BA) zu Polybutylacrylat (PBA) in Gegenwart
von Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat)-Lanthanidkomplexen mittels Miniemulsion
gezeigt werden
[69]
. Durch den Einsatz von Lanthanidverbindungen konnten hochgeordnete,
„zwiebelartige“ Schichtstrukturen erhalten werden (siehe Abb. 2.11.). Der Abstand zwischen
den lamellaren Schichten wurde durch SAXS-Messungen auf ~ 3.5 nm bestimmt.
Abb. 2.11. TEM-Aufnahme von strukturierten Gadoliniumpartikeln [69].
Die spontane Bildung von hochgeordneten Strukturen wurde bisher häufig in Zusammenhang
mit der Bildung von Vesikeln aus amphiphilen Polymeren beschrieben [70].
Im Fall der Kombination aus anorganischen und organischen Materialien werden spontan
geordnete Vesikel vor allem mit Silika-
[71]
und Goldverbindungen
[72]
gefunden. El Rassy et
al. synthetisierten phospholipidbasierte multilamellare Nanovesikel, die als Templat für das
biometrische Wachsen von Silika verwendet wurden
[71]
. Faure et al. publizierten die
spontane Ausbildung von multilamellaren Vesikeln zwischen Goldnanopartikeln und
Phosphatidylcholin [72].
Die Arbeitsgruppe um Hitchcock et al. befasste sich intensiv mit der Untersuchung der
Zwiebelstruktur von Copolymer-Partikeln
[73]
. Sie untersuchten die Struktur von PMMA/PS-
Mikropartikeln mit Hilfe der „Soft X-ray“-Mikroskopie.
Gauffre et al. beschrieben die chemische Reaktion in einem neuartigen Typ von
Tensidaggregaten, sogenannten “Spheruliten” oder “onions”
[74]
. Spherulite sind dabei
spherische Mikrodomänen mit Größen zwischen 200 und 1000 nm bestehend aus lamellaren
Phasen.
26
2. Grundlagen
Reaktanden können in diese eingekapselt werden. Durch die Zugabe eines zweiten Reagenz
erfolgt dann eine chemische Reaktion mit den verkapselten Reaktanden. Vereinfacht
ausgedrückt, handelt es sich um Vesikel, welche multilamellare Strukturen aufweisen. In
diesem speziellen Fall wurde eine konstante Menge an Cu(II)-Ionen in die lamellaren
Schichten der Spherulite eingekapselt. Bei der zweiten Komponente handelte es sich um
Hydrazin, welches durch die lamellaren Schichten hindurchdiffundierte und mit den
eingekapselten Kupferionen reagierte. Die entstandenen Cu2O Nanopartikel lagen in den
multilamellaren Schichtstrukturen vor und wiesen Größen von 10 bis 30 nm auf. Eine weitere
Anwendung der Spheruliten als chemische Reaktorsysteme wurde durch die Synthese von
Indium-Zinn-Oxidpartikeln gezeigt
[75]
. Spherische multilamellare Vesikel mit Größen von
300 bis 10 000 nm wurden durch die Einwirkung hoher Scherkräfte aus zwei lamellaren
Lösungen hergestellt. Eine Lösung enthielt die anorganischen Salze Indiumnitrat und
Zinnchlorid (I), während der zweiten Lösung das Fällungsreagenz Ammoniumhydroxid (II)
zugesetzt wurde. Die chemische Reaktion erfolgte in den hydrophilen Schichten der Lösung I.
Diese war durch die selektive Permeabilität der Vesikelwand für Anionen nicht aber für
Kationen möglich. Die ITO Partikel wiesen nach der Kalzinierung Durchmesser von 10 bis 30
nm auf.
Der Effekt von Europium(III) chlorid auf das Aggregationverhalten des anionischen Tensides
Natriumdodecylsulfat (SDS) wurde bereits durch Valente et al. diskutiert
[76]
. Bei einer
geringen Konzentration an SDS wurde eine Ausbildung von Mizellen, in denen EuCl3
vorliegt, gefunden. Hohe SDS Konzentrationen führten zu der Ausbildung von
zylinderartigen Aggregaten.
2.4. Funktionalisierung von Partikeloberflächen
Die Funktionalisierung von Nanopartikeln ist zu einer alltäglichen Methode geworden, um die
kolloidalen Eigenschaften zu verändern und das Anwendungsspektrum von Nanopartikeln im
Hinblick auf medizinische Einsatzmöglichkeiten zu vergrößern.
Funktionelle
Gruppen
auf
der
Partikeloberfläche
erlauben
eine
Zunahme
der
Wechselwirkungen zwischen den Partikeln mit unterschiedlichen organischen (Cellulose,
Textilfaser), mineralischen (Pigmente) oder metallischen Substraten. Der zweite Vorteil liegt
in der Erhöhung und der Kontrolle der Immobilisierung von Biomolekülen, wie
beispielsweise Proteinen, Antikörpern und Nukleinsäuren für biomedizinische Anwendungen.
27
2. Grundlagen
Die Funktionalisierung ist gewährleistet durch radikalische Initiatoren (z.B. KPS, AIBN),
durch die Tensidart (anionisch, kationisch, nichtionisch, amphoter) oder durch Monomere mit
funktionellen Gruppen (Carboxyl-, Aminogruppen).
Die Synthese von funktionalisierten Polymerpartikeln mittels Emulsionspolymerisation kann
über drei Wege geschehen. In der Batch-Emulsionspolymerisation werden alle Reagenzien zu
Beginn der Reaktion zusammen gegeben. Diese Methode hat sich wegen der geringen
Funktionalität der späteren Latexpartikel nicht durchgesetzt. Eine weitere Methode stellt die
semikontinuierliche Polymerisation dar. Sie ist vor allem für die Copolymerisation von
definierten Kettenstrukturen sinnvoll. Die spätere Funktionalisierung der Teilchen ist dabei
abhängig von der Reaktivität des eingesetzten funktionellen Monomers. Die Mehrstufen-
Polymerisation auf einem Saatlatex ergibt durch die verzögerte Zugabe eines ionischen
Monomers eine hohe Effizienz an funktionellen Gruppen.
Rembaum et al. publizierten bereits 1975 die Synthese von mit Acrylmonomeren hydrophil
funktionalisierten Polymerpartikeln durch Co-γ-Bestrahlung im Größenbereich von 0.3 bis 3
μm. Diese wurden hinsichtlich der Monomerkonzentration und der Stabilitätsart untersucht.
Durch kovalente Kopplung von Antikörpern konnte die Anwendung von funktionalisierten
Polymerpartikeln in Mäusen und menschlichen Lymphozyten nachgewiesen werden [77].
Die Forschungsgruppe um Okubo befasste sich intensiv mit der kovalenten Immobilisierung
von Trypsin auf Poly(2-hydroxyethylmethacrylat)/Polystryol-Mikropartikeln durch eine
zweistufige tensidfreie Mehrstufen-Polymerisation auf Saatpartikel. Nach der Synthese von
PHEMA/PS-Partikeln werden diese nach intensivem Waschen mit CNBr aktiviert. Nach der
Reaktion besitzen die Polymerpartikel carboxylfunktionaliserte Oberflächen, an welche
anschließend die Kopplung von Trypsin erfolgte [78].
In der heutigen Zeit spielt die Oberflächenfunktionalisierung in Hinblick auf den Einsatz in
der Medizin eine große Rolle. Daher ist es essentiell, vom Mikrobereich in den Nanobereich
zu gehen. Hier stellt vor allem die Anwendung des Miniemulsionsprozesses, welches als
Nanoreaktorprinzip verstanden werden kann, ein großes Potential dar. Als Modellsystem wird
häufig Styrol als zu funktionalisierendes Monomer verwendet. Der Vorteil von
Polystyroldispersionen liegt in der Synthese von monodispersen Polymerpartikeln, welche
nicht biologisch abbaubar sind und dadurch in vitro und in vivo über einen langen Zeitraum
zurückverfolgt werden können. Um Polystyrolpartikel in einem biologischen System
nachweisen zu können, werden diese meist mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert [79].
28
2. Grundlagen
Das Einbringen eines Fluoreszenzfarbstoffes kann über physikalische Adsorption an der
Partikeloberfläche [80] oder durch Copolymerisation mit einem fluoreszierenden Monomer [81]
erfolgen. Im Fall der Miniemulsion ist eine Diffusion des Fluoreszenzfarbstoffes nicht
notwendig. Hier liegt ein öllöslicher Fluoreszenzfarbstoff wie z.B. Perylenmonoimid (PMI)
homogen verteilt in den Polymerpartikeln vor [82].
In
der
Arbeitsgruppe
Landfester
wurden
bereits
verschieden
funktionalistisierte
Polymerpartikel und deren Einbringen in unterschiedliche Zellarten untersucht. Im Jahr 2005
wurde das Einbringen von fluoreszierende Polystyrolpartikel mit carboxyl- und aminohaltigen
Funktionalitäten als Marker für HeLa-Zellen publiziert
[83]
. Die Anzahl an funktionellen
Gruppen auf der Oberfläche wurde durch Titrationsexperimente bestimmt und konnte durch
die Menge an funktionalem Monomer kontrolliert werden. Hinsichtlich der Partikelgröße und
der Menge an funktionellen Gruppen auf der Oberfläche konnten Unterschiede zwischen
carboxylhaltigen Poly(St-co-AA)- und aminohaltigen Poly(St-co-AEMH)-Partikeln gefunden
werden. Erste Zellexperimente von aminofunktionalisierten Partikeln deuteten darauf hin,
dass diese sich intrazellulär anordnen. Durch die Einbringung von aminofunktionalisierten
Polystyrolpartikeln in unterschiedliche Zelllinien (HeLa, Jurkat, MSC, KG1a) konnte eine
Abhängigkeit hinsichtlich des Aufenthaltsorts in der Zelle beobachtet werden. Während die
Partikel in Jurkat- und KG1a-Zellen überwiegend an den Zellwänden vorliegen, befinden sie
sich in HeLa- und MSC-Zellen meist in intrazellulären Bereichen [84].
Um die Anwendung von funktionalisierten Polymerpartikeln als Transporter zu zeigen,
wurden in fluoreszierende Poly(St-co-AA)-Partikel superparamagnetisches Material in Form
von Magnetit (Einsatz als Kontrastmittel in der Kernspintomographie) verkapselt
[85]
. In
einem dreistufigen Prozess wurden magnetithaltige Poly(St-co-AA)-Partikel mit Größen von
45 bis 70 nm mit einem Eisenoxidgehalt von 30 bis 40% erhalten.
Die Erhöhung der Anzahl an funktionellen Gruppen führt zu einer Erhöhung im
Aufnahmeverhalten in die Zellen. Um die biologischen Anwendungsmöglichkeiten zu
steigern, wurde an die Carboxylfunktionalitäten das Biomolekül Poly-l-Lysin gekoppelt, was
in einer guten Aufnahme in die Zellen resultiert.
Neben Magnetit zeigen vor allem hydrophile Lanthanidverbindungen ein großes Potential für
Einsatzmöglichkeiten in der Medizin. Die biologische Wirksamkeit der Lanthanide basiert
dabei auf ihrer Ähnlichkeit zu Calcium. Auf Grund der ähnlichen Ionenradien zeigen Ln3+Ionen eine höhere Affinität zu Biomolekülen und eine stärkere Bindung zu Wassermolekülen
als
Ca2+
[86]
.
Daher
ist
auch
die
Funktionalisierung
von
lanthanidenthaltenden
Polymerpartikeln von zunehmendem Interesse.
29
2. Grundlagen
2.5. Nanokapseln
In den vorhergegangenen Kapiteln wurde intensiv die Herstellung von Partikeln behandelt. Es
ist aber auch möglich, Polymerdispersionen mit komplexen Teilchenmorphologien
herzustellen. Diese können kinetisch oder thermodynamisch kontrolliert erzeugt werden
(siehe Abb. 2.12.).
thermodynamisch kontrollierte Morphologie
kinetisch kontrollierte Morphologie
Kern-Schale-Struktur
inverse
Kern-Schale-Struktur
Schneemann-Struktur
Sandwich-Struktur
Hemisphere-Struktur
Mikrodomain-Struktur
Multischichten-Struktur
Abb. 2.12. Thermodynamisch und kinetisch kontrollierte Partikelmorphologien [87].
In diesem Kapitel soll dabei der Schwerpunkt auf der Hohlkugel- bzw. Nanokapsel-Struktur
liegen. Der Begriff „Nanokapsel“ ist definiert für sphärische, hohle Strukturen mit einem
mittleren Teilchendurchmesser von < 1 μm
[88-90]
. Eine Kapsel besteht typischerweise aus
einer polymeren Hülle, welche mit Öl bzw. Wasser gefüllt ist. Die Synthese von Nanokapseln
in stabilen Dispersionen kann durch die Bindung von funktionellen Gruppen oder durch die
Adsorption von Tensidmolekülen an die Kapselhülle erzielt werden.
Die Einkapselung von Substanzen in ein Polymer wird sowohl in der Pharma- und
Kosmetikindustrie als auch im landwirtschaftlichen Bereich genutzt. Durch die Verkapselung
ist es möglich, die Toxizität eines Stoffes herabzusetzen oder die Lagerung und den Transport
zu erleichtern.
30
2. Grundlagen
In der älteren Literatur wird vor allem die Darstellung von Mikrokapseln näher gehend
betrachtet. Heutzutage sind Forscher und Industrien zunehmend an der Entwicklung von
Kapseln im Nanometerbereich interessiert. Prinzipiell können zwei Synthesemethoden zur
Herstellung von Polymernanokapseln unterschieden werden. Über die Templatmethode oder
direkte Polymerisationstechniken können Kapseln verschiedener Formen und verschiedener
Kapselhüllen hergestellt werden.
Die Herstellung von Kapseln mittels des Templatprozesses erfolgt über drei Stufen:
1. Synthese des Kerns mit funktionellen Gruppen;
2. Beschichtung des Templatkerns mit organischen, anorganischen oder Hybrid- Schalen
(Adsorption eines Präpolymers oder Polymerisation an der Kernoberfläche);
3. Entfernung des Kerns durch chemische, physikalische oder thermische Behandlung
(Auflösung, Calcinierung).
Als Kernmaterialien werden häufig anorganische Verbindungen verwendet. Die Schale kann
sowohl anorganischer als auch organischer Natur sein. Mononodispers verteilte Silikat- (SiO2)
und Zinksulfid- (ZnS) Kapseln wurden durch Entfernen des Silikatkerns erhalten
[91]
. Auch
die Möglichkeit der Beschichtung von Silikatkernen mit Polymeren ist von zahlreichen
Forschungsgruppen dokumentiert [92-96].
Statt anorganischer Kerne können auch Polymerkerne als Templat verwendet werden. Im
Gegensatz zu anorganischen Kernen, welche nur durch harte Reaktionsbedingungen wie
beispielsweise hohe Temperaturen oder Einsatz von starken Säuren entfernt werden können,
gelingt dies bei organischen Kernen einfacher und ohne größere Schäden an der Kapselhülle.
Hohlstrukturen von Yttrium- und Zirkoniumverbindungen konnten durch Beschichten von
Polystyrolpartikeln mit Yttriumcarbonat
Calcinierung
hergestellt
werden.
[97, 98]
Die
und Zirkoniumsulfat
Beschichtung
von
[99]
, und anschließender
Titandioxid
(TiO2)
auf
[100]
und
Polystyrolpartikel wurde durch die Hydrolysereaktion von Titantetrabutyloxid
Titantetraethyloxid [101] in ethanolischen Suspensionen ermöglicht.
Eine weitere Möglichkeit ist die Adsorption der Polymerhülle auf den Kern. Hier wird vor
allem die Layer-by-Layer-Methode angewandt. Die Strukturbildung erfolgt dabei über
elektrostatische Wechselwirkungen zwischen unterschiedlich geladenen Polymeren, meist
Polyelektrolyte.
31
2. Grundlagen
Die
Adsorption
des
Polyelektrolyten
kann
über
zwei
Wege
erfolgen:
die
Polyelektrolytkonzentration eines jeden Schrittes ist genau so hoch, dass übersättigte
Schichten entstehen, oder es wird eine übersättigte Konzentration zugegeben, um eine
Adsorption zu gewährleisten. Durch diese Technik können Kapseln mit einer Größe von 70
nm bis 10 μm synthetisiert werden. Die Dicke der Polymerhülle kann durch die Anzahl der
Schichten variiert werden [102-106].
Die Möglichkeit, Kapseln durch direkte Polymerisationstechniken zu synthetisieren, z.B.
durch
Emulsions-,
Miniemulsions-,
Dispersions-,
Suspensions-
oder
Grenzflächen-
polymerisationen, ist in den letzten 20 Jahren zu einem wichtigen Forschungsgebiet
geworden.
Auf Grund des hohen Interesses von Seiten der Industrie ist es nicht verwunderlich, dass die
meisten der Veröffentlichungen Patente sind [107-110]. Die ersten Prozesse zur Darstellung von
hohlen Latexteilchen wurde in den Forschungslaboren der Rohm & Haas Company entwickelt
[111-115]
. Das Konzept beinhaltet die Herstellung strukturierter Partikel mit einem
carboxylfunktionalisierten Kernpolymer und einer oder mehrerer äußerer Schalen. Durch die
Hydrolyse des Kernmaterials kommt es zum osmotischen Aufquellen dieser, und hohle mit
Wasser oder Polyelektrolyt gefüllte Partikel werden gebildet.
Grundlegende
Erkenntnisse
zur
Herstellung
von
hohlen
Partikeln
Emulsionspolymerisation wurden durch McDonald und Devon entwickelt
mittels
[116, 117]
. Sie
veränderten die Emulsionspolymerisation durch Zugabe eines wasserlöslichen Alkohols und
eines Kohlenwasserstoffs, in welchem das Polymer nicht löslich ist.
Dadurch wird die Partikelmorphologie zu Gunsten der Bildung von hohlen Strukturen
bevorzugt. In dem Fall wird die Morphologie sowohl durch kinetische als auch durch
thermodynamische Faktoren geleitet. Die Kapseln wiesen Größen von 0,2 bis 1 μm auf.
Um jetzt Nanokapseln definierter Größe herzustellen, wurde der Prozess der Miniemulsion
auf Grund der hohen Stabilität der Tröpfchen als nutzvoll angesehen. Torini et al.
untersuchten
die
Verkapselung
Grenzflächenpolyadditionsreaktion
von
hydrophoben
Komponenten
durch
[39]
. In direkten O/W-Systemen reagierten die Monomere
1,6-Hexandiol und IPDI an der Tröpfchengrenzfläche. Scott et al. beschrieben die Synthese
von
Nanokapseln
in
direkten
Grenzflächenpolymerisation [118].
32
Miniemulsionen
durch
nicht
radikalische
2. Grundlagen
Die Arbeitsgruppe Landfester befasste sich bereits mit der Einkapselung verschiedenste
Materialien in polymere Hüllen. Tiarks et al. synthetisierten hohle Polymernanokapseln in
einem Eintopfverfahren über Variation der Monomere und der Menge an Hydrophob, hier
Hexadekan
[119]
. Durch die Steuerung der Hydrophobkonzentration in Abhängigkeit vom
eingesetzten Monomer (MMA, Styrol) konnten unterschiedliche Morpholgien (partikulär,
kapselsartig) gefunden werden.
Um die hohe medizinische Anwendung zu demonstrieren, wurde in einem anderen Fall ein
Antiseptikum in polymere Hüllen mit Hilfe kontrollierter Nanoausfällung aus inversen
Miniemulsionen eingekapselt
[120]
. Es konnten definierte Nanokapselstrukturen mit einem
wässrigen Kern gefüllt mit dem Antiseptikum Chlorhexidindigluconat und einer Polymerhülle
aus PMMA, Polycaprolacton oder PMA mit Größen von 80 bis 240 nm synthetisiert werden.
Abhängig vom Polymeranteil, vom Molekulargewicht des eingesetzten Polymers und vom
Polymertyp konnten durch Untersuchungen mittels NMR Verkapselungseffizienzen von 20
bis 100% erreicht werden. Der Transfer von in Lösungsmitteln hergestellten Nanokapseln in
wässriges Medium stellt vor allem für medizinische Anwendungen eine wichtige Rolle dar.
Hohle polymere Nanokapseln können auch durch Polykondensationsreaktionen in inversen
Miniemulsionen an der Grenzfläche von Tröpfchen in einer organischen Phase synthetisiert
werden
[121]
.
Die
Herstellung
von
Polyharnstoff-,
Polythioharnstoff-
und
Polyurethannanokapseln mit einem wässrigen wie auch organischen Kern konnte gezeigt
werden. Für biologische Zwecke wurde als Polymerhülle auch vernetzte Stärke oder Dextran
produziert und bewiesen, dass die Möglichkeit der Redispergierung der Nanokapseln in
wässrigem Medium und somit die Verwendung in biologischen Systemen möglich ist.
Auf Grund des hohlen Charakters der Polymerkapsel kann diese auch als Nanoreaktor
gesehen werden, was modellhaft durch die Reduktion von Silbernitrat studiert wurde.
Vorhersage der Teilchenmorphologie
Die Strukturen der Teilchen, welche aus binären Mischungen gebildet werden, können
unterschiedlich vorhergesagt werden. Toza und Mason untersuchten intensiv die
Wechselwirkung zwischen drei Phasen in elektrischen Feldern und Scherfeldern
[122]
. Sie
fanden heraus, dass sich das einstellende Gleichgewicht zwischen zwei unmischbaren
Flüssigkeiten (bezeichnet als Phase 1 und 3) suspendiert in einer dritten, nicht mischbaren
flüssigen Phase (Phase 2) durch die Grenzflächenspannung σij sowie den Spreitkoeffizient Si
bestimmt wird:
33
2. Grundlagen
S i = σ jk − (σ ij + σ ik )
(2.7.)
Wenn für Phase 1 σ12>σ23 gilt, so ist S1<0. Für Gleichung 2.7. können nur 3 mögliche
Wertepaare existieren: vollständige Verkapselung, Teilverkapselung, Bildung separater
Teilchen (siehe Abbildung 2.13.).
3
1
Vollständige Verkapselung
S1<0
S2<0
S3>0
Teilverkapselung
S1<0
S2<0
S3<0
Separate Teilchen
S1<0
S2>0
S3<0
Abb. 2.13. Erwartete Teilchenmorphologien aus den Wertepaaren des Spreitkoeffizienten.
Durch Untersuchung mittels Hochgeschwindigkeits-Cinematographie wiesen Torza und
Mason nach, dass der Verkapselungsmechanismus von den zwei konkurrierenden Prozessen
Penetration und Spreitung abhängt. Vereinfacht wird angenommen, dass das endgültige
Gleichgewicht durch die drei Grenzflächenspannungen σ12, σ13 und σ23 bestimmt wird.
Die Partikelmorphologie hängt aber auch von Art und Konzentration des Tensides, vom
Polymer und vom Öl ab.
Die Struktur von Mikropartikeln wird durch die Mobilität oder Diffusion mindestens zweier
Spezies stark beeinflusst. Die Triebkraft tendiert dabei zur Bildung einer phasenseparierten
Struktur.
Das Hauptgewicht wird, trotz Viskositätsabhängigkeit der Bewegungsmöglichkeiten, auf die
Änderung der freien Gibbs-Energie während des Separationsprozesses gelegt.
Sundberg et al. entwickelten einen analytischen Ansatz auf Basis von thermodynamischen
Grundlagen
[123, 124]
. Es wurde nur die Änderung der freien Energie an der Grenzfläche des
dreiphasigen Systems betrachtet. Das System besteht hierbei aus den Polymeren 1 und 2 und
Wasser.
34
2. Grundlagen
Für drei unmischbare Phasen mit identischen Dichten ergibt sich der Gleichgewichtszustand
mit der geringsten Freien Grenzflächenenergie G:
G = ∑ σ ij * Aij
(2.8.)
(σij – Grenzflächenspannung, Aij – Grenzfläche)
Es konnten zahlreiche Strukturen, wie Hemisphären, Sandwich-Strukturen, koexistierend in
einer Emulsion gefunden werden. Dabei handelt es sich jeweils um verschiedene Stadien des
Phasenseparationsprozesses.
35
3. Messmethoden
Kapitel 3.
Messmethoden
Erst zweifeln, dann untersuchen, dann entdecken.
(Henry Thomas Buckle)
3.1. Mikroskopische Methoden
[125, 126]
3.1.1. Elektronenmikroskopie
Im Vergleich zu normalen Lichtmikroskopen werden in Elektronenmikroskopen anstelle von
Licht gebündelte, durch Hochspannung beschleunigte Elektronen im Vakuum zur Abbildung
und Vergrößerung kleinster Materialien verwendet.
Bereits in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde der Grundstein zur Entwicklung
von Elektronenmikroskopen gelegt. Es wurde entdeckt, dass die Wellenlänge von bewegten
Elektronen in einem elektrischen Feld sehr viel kleiner ist als die von Lichtstrahlen.
Klassische Lichtmikroskope haben nur ein geringes Auflösungsvermögen, welches die
Abbildung von Materialien im Nanometerbereich nicht gewährleistet. Abbé beschreibt das
Auflösungsvermögen δ durch die Formulierung:
δ=
λ
2n * sin α
(3.1.)
mit n*sin α – numerische Apertur, n- Brechungsindex, α – Akzeptanzwinkel des Objektes,
λ – Wellenlänge des verwendeten Lichts.
Wie aus Gleichung (3. 1.) ersichtlich, erhöhen sowohl kurzwelliges Licht als auch eine hohe
Apertur das Auflösungsvermögen des Mikroskops.
36
3. Messmethoden
Die Abbildung von Materialien im Nanometerbereich ist jedoch nur möglich, wenn die
Wellenlänge des verwendeten Lichts verkleinert wird. DeBroglie schlussfolgerte, dass diese
sich nur verkleinern lässt, wenn die Geschwindigkeit υ der Elektronen vergrößert wird
(Gleichung 3. 2.):
λ=
h
h
=
p meυ
(3. 2.)
mit h – Plancksches Wirkungsquantum (6,6218 * 10-34 Js), p – Impuls der Elektronen
(= me*υ), me – Elektronenmasse.
Die Beschleunigung eines Elektrons im elektrischen Feld kann durch die Verknüpfung der
Wellenlänge λ und der kinetischen Energie Ekin wiedergegeben werden:
E kin =
λ=
1
me * υ 2 = e * U
2
(3. 3.)
h
(3. 4.)
2me * e * U
Aus den vorherigen Gleichungen kann jetzt die Wellenlänge berechnet werden. Geht man von
einer Beschleunigungsspannung von 100 kV aus, so ist die DeBroglie-Wellenlänge 0,0037
nm, d.h. das Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen ist um das sechsfache höher
als bei klassischen Lichtmikroskopen.
Neben dem besseren Auflösungsvermögen und den möglichen Vergrößerungen stellt auch die
bessere plastische Abbildung einen Vorteil von Elektronen- zu Lichtmikroskopen dar.
Der Aufbau von Elektronenmikroskopen ist denen des Lichtmikroskops analog. Der
wesentliche Unterschied besteht darin, dass im Elektronenmikroskop statt Glaslinsen
Elektronenlinsen verwendet werden. Grund hierfür ist, dass Glaslinsen den Elektronenstrahl
nicht brechen können.
Das Prinzip von Elektronenlinsen besteht darin, dass Elektronenstrahlen beim Durchlaufen
von elektrischen, elektrostatischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern
Ablenkungen erfahren, die den Ablenkungen von Lichtstrahlen durch Glaslinsen entsprechen.
Häufig
eingesetzte
Elektronenmikroskope
in
der
Kolloid-,
Polymer-
und
Grenzflächenforschung sind Transmissions- und Rasterelektronenmikroskope.
37
3. Messmethoden
3.1.1.1. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
In den frühen 30er Jahren des 20. Jahrhunderts gelang Knoll und Ruska der Bau des ersten
Transmissionselektronenmikroskops. 1986 wurde Ruska zusammen mit Binnig und Rohrer,
welche die Entwicklung des Rasterelektronenmikroskops vorantrieben, mit dem Nobelpreis
für Physik geehrt.
Das Prinzip des TEMs besteht in der indirekten Abbildung dünner Kopien von Objekten. Das
Objekt wird nicht direkt abgebildet, sondern nur die Matrizen des Objektes durchstrahlt. Der
Aufbau ist ähnlich dem des Lichtmikroskops. Anstelle einer Glühbirne wird eine
Elektronenquelle (Wolfram-, Lanthan-Hexaborid-, Feldemissionskathode) verwendet. Zur
Abbildung werden Magnetspulen eingesetzt, welche ähnlich wie Glaslinsen Lichtstrahlen
bündeln.
In Abbildung 3. 1. ist der Aufbau des TEMs dargestellt.
-
Kondensorspule
+
Kathode
Anode
Hochvakuum
Objektspule
Objekt
Zwischenbild
Beobachtungsmikroskop
Projektionsspule
Leuchtschirm
oder
Fotoplatte
Endbild
Abb. 3. 1. Aufbau eines TEMs.
Elektronen, die aus der Kathode austreten, werden durch einen Wehnelt-Zylinder gebündelt
und durch die ringförmige Anode auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt.
Durch die Erhöhung der Spannung am Wehnelt-Zylinder wird ein stärkerer Elektronenstrahl
und eine höhere Bildhelligkeit erreicht. Dadurch wird allerdings auch die Strahlenbelastung
auf die Probe vergrößert.
Damit die Wellenlänge der Elektronen nicht variiert, muss deren Geschwindigkeit konstant
bleiben. Eine weitere Bündelung erfolgt in der ersten magnetischen Linse, der
Kondensorspule.
38
3. Messmethoden
In diesem Punkt kann die Bündelung durch Veränderungen an der Brennweite der Linse
variiert und somit die Bildhelligkeit und die Strahlenbelastung beeinflusst werden. Im
weiteren Verlauf durchdringen die Elektronen die Probe. Durch die Objektivspule wird ein
erstes vergrößertes Zwischenbild entworfen. Das Bild wird abschließend durch die
Projektionsspule vergrößert und auf einem Bildschirm scharf abgebildet. Das erhaltene Bild
kann dann mit einer Fotoplatte oder einer CCD-Kamera aufgenommen werden.
Um hohe Beschleunigungsspannungen zu erhalten und eine Emission von freien Elektronen
zu
ermöglichen,
bedingungen
(~
muss
10-6
das
Transmissionselektronenmikroskop
mbar)
betrieben
werden.
Im
unter
Hochvakuum-
Allgemeinen
sind
Transmissionselektronenmikroskope nicht in der Lage, einzelne Atome abzubilden. Da die
Proben vom Elektronenstrahl durchstrahlt werden, ist es notwendig, eine Absorption der
Proben auszuschließen. Daher muss bei der Probenpräparation darauf geachtet werden, dass
die Proben extrem dünn (max. 1 μm) sind.
Das Transmissionselektronenmikroskop ermöglicht die Charakterisierung von biologischen
(z.B. Viren, Zellen) und chemischen (z.B. Makromolekülen, Polymerdispersionen,
anorganischen Materialien) Systemen. Somit können mittels TEM-Aufnahmen sowohl Größe
als auch Form von Polymerteilchen nachgewiesen werden. Besitzen die Polymerkomponenten
ausreichend unterschiedliche Elektronendichten, lassen sich Heterogenitäten wie z.B. KernSchale-Strukturen beobachten. Der elektronenoptische Kontrast wird durch unterschiedliche
Streuung des Elektronenstrahls in der Probe erreicht. Reicht dieser nicht aus, können die
verwendeten Proben je nach Funktionalisierung mit Uranylacetat, Osmiumtetraoxid (OsO4)
und RuO4 kontrastiert werden. Diese Verbindungen reagieren selektiv mit den funktionellen
Gruppen der Polymere und erzeugen dadurch eine Elektronendichtedifferenz [126].
3.1.1.2. Rasterelektronenmikroskop (REM)
Im
Vergleich
zur
Transmissionselektronenmikroskopie
können
durch
die
Rasterelektronenmikroskopie direkte Abbildungen von Oberflächen und Teilchen im
Nanometerbereich aufgenommen werden. In Abbildung 3.2. ist der schematische Aufbau
eines Rasterelektronenmikroskops dargestellt.
39
3. Messmethoden
Elektronenquelle
Ablenkgenerator
Kondensorlinse
Bildschirm
Ablenk- und Zentrierspulen
Kondensorlinse
Stigmator
Sekundärelektronendetektor
Röntgendetektor
Rückstreuelektronendetektor
Probenstromdetektor
Präperat
Abb. 3. 2. Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops.
Die zu untersuchende Probenoberfläche wird mit einer feinen Elektronensonde punktweise
abgerastert.
Durch
entstehende
Wechselwirkungen
der
Probenoberfläche
mit
der
Elektronensonde werden in einzelnen Objektpunkten Sekundärelektronen ausgelöst. Die
Bildentstehung beruht darauf, dass die Sekundärelektronenausbeute an der Oberfläche von
Punkt zu Punkt verschieden ist. Verstärker und Detektoren werden nun eingesetzt, um einen
Hell-Dunkel-Kontrast zu erzeugen.
Bei dieser Methode wird ein Abbild der Oberflächenstruktur der zu untersuchenden Probe
erhalten. Der Vorteil dieser Technik besteht in der scharfen Abbildung großer Objektbereiche,
und es entsteht ein dreidimensionaler Eindruck.
3.1.2. Rasterkraftmikroskopie (engl. AFM; Atomic Force Microscopy)
Das Rasterkraftmikroskop wurde 1986 von Binnig, Quate und Gerber zur mechanischen
Abtastung von Oberflächen im Nanometerbereich entwickelt (siehe Abb. 3.3.).
Hierzu wird die Wechselwirkung zwischen einer sehr feinen Tastspitze (Tip) und einer
Probenoberfläche
untersucht.
Der
Tip
ist
an
einem
Cantilever
befestigt.
Die
Wechselwirkungen zwischen Tip und Probe führen zu einer Auslenkung des Cantilevers,
welche mit optischen Sensoren registriert wird. Durch Krümmungsradien der Spitzen von 1020 nm ist eine Auflösung von 0,1-10 nm möglich. Dieser Bereich reicht aus, um einzelne
Atome abbilden zu können.
40
3. Messmethoden
Dadurch besitzt die Rasterkraftmikroskopie zusammen mit der Rastertunnelmikroskopie
(engl.
STM;
Scanning
Tunneling
Microscope)
die
höchste
Auflösung
aller
Mikroskopietechniken. Experimentell liegt die Scangeschwindigkeit zwischen 0,5 und 10
Zeilen pro Sekunde, und bei normalen Bildauflösungen (256*256 bis 512*512) ergibt sich
eine Messdauer von 1 bis 20 min pro Bild.
Photodetektor
Laser
Cantilever
Tip
Oberfläche
Tipatome
Oberflächenatome
Abb. 3.3. Aufbau eines AFMs.
Der am Cantilever befestigte Tip wird in geringem Abstand über die Probenoberfläche
geführt. Die Bewegung der Spitze über die Probe wird durch einen piezoelektrischen Scanner
erhalten. Indem der Laserstrahl auf den Tip gerichtet wird, kann die Auslenkung des
Cantilevers durch Auffangen des reflektierten Strahls durch den Photodetektor detektiert
werden. Die Auslenkung gibt nun Aufschluss über die Oberflächeneigenschaften der zu
vermessenden Probe.
Es können zwei Methoden zur Bildgebung klassifiziert werden: Kontakt-Modus und
Nichtkontakt-Modus bzw. Tapping-Modus. Im Kontaktmodus wird die Spitze direkt auf die
Probenoberfläche aufgesetzt.
Die Lageänderung der Spitze wird beim anschließenden Abrastern der Probenoberfläche über
die Auslenkung des Cantilevers ermittelt. Im Tapping-Modus berührt der Cantilever die
Probenoberfläche nicht, sondern tippt nur auf die Oberfläche.
41
3. Messmethoden
3.2. Röntgenstreuung [125, 127]
Die von Röntgen im Jahr 1895 entdeckte Röntgenstrahlung bezeichnet kurzwellige
elektromagnetische Strahlung. Der Bereich von Röntgenstrahlen schließt kurzwellige
Ultraviolettstrahlung bis γ-Strahlung ein. Sie kann erzeugt werden, indem eine
Metalloberfläche mit hochenergetischen Elektronen beschossen wird.
Die Elektronen werden beim Aufprall auf die Metalloberfläche abgebremst. Dadurch
erzeugen die Elektronen eine Strahlung mit kontinuierlichem Spektrum von Wellenlängen,
welche auch als Bremsstrahlung bezeichnet wird. Das Kontinuum von Wellenlängen ist durch
einige intensive und scharfe Signale überlagert, die bei der Kollision der Elektronen mit den
Rumpfelektronen des Metalls entstanden sind. Dadurch wird ein Elektron aus der inneren
Schale herausgeschlagen, und ein Elektron eines höheren Niveaus „fällt“ hinein. Dabei wird
es durch das starke elektrische Feld abgelenkt. Die zur Ablenkung und somit zur Emission der
elektromagnetischen Strahlung erforderliche Energie wird durch die Verringerung der
kinetischen Energie des Elektrons (Abbremsung) aufgebracht. Die Bremsstrahlung ist umso
intensiver, je höher die Ordnungszahl Z des Metalls ist. Als Bremsstrahlungsquelle wird z.B.
241
Am zusammen mit Targets aus Ag, Ba, Cu, Mo, Rb und Tb verwendet.
Um spektroskopische Untersuchungen mittels Röntgenstrahlung durchführen zu können,
benötigt man monochromatische Strahlung. Diese kann beispielsweise durch Beugung der
Röntgenstrahlen an gebogenen Quarzlamellen (Fokussierung) oder durch Durchtritt von
Röntgenstrahlen durch Filterfolien erzeugt werden.
Das Beugungsphänomen wurde von Laue mathematisch dargestellt. Er ging davon aus, dass
die Röntgenstrahlen beim Durchtritt durch einen Kristall gebeugt werden können, da ihre
Wellenlänge ungefähr den Abständen der Gitterebenen entspricht.
Röntgenbeugung wird durch die Bragg-Gleichung vereinfacht, dessen Prinzip in Abb. 3.4.
gezeigt ist.
θ
A
θ
Abb. 3.4. Schematische Darstellung der Bragg-Bedingung.
42
θ
B
θ
C
d
3. Messmethoden
Zur Erklärung von Beugungsmustern wurde jede Gitterebene als Spiegel betrachtet und der
Kristall als Stapel von reflektierenden Ebenen im Abstand d voneinander beschrieben. Durch
dieses Modell kann jetzt der Winkel berechnet werden, in welchem der einfallende
Röntgenstrahl auf die Kristalloberfläche auftreffen muss, damit eine konstruktive Interferenz
beobachtet werden kann. Die Weglängendifferenz der in Abbildung 3.4. gezeigten Strahlen
ist:
AB + BC = 2d sin θ
(3.5.)
θ wird hier als Glanzwinkel oder Braggscher Winkel bezeichnet. Die Wellen interferieren
destruktiv, wenn die Weglängendifferenz kein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist.
Ist die Weglängendifferenz ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge, so gilt:
AB + BC = nλ
(3.6.)
Die gebeugten Wellen befinden sich in Phase und interferieren konstruktiv. Intensive Reflexe
können bebachtet werden, wenn der Winkel θ das Bragg-Gesetz erfüllt:
nλ = 2d sin θ
(3.7.)
mit λ – Wellenlänge der Röntgenstrahlen, n – Ordnung der Reflexe (n =1,2…), θ Braggscher oder Glanzwinkel, d – Netzebenenabstand.
Die Reflexe mit n = 2, 3, … usw. stellen Reflexe zweiter und dritter Ordnung usw. dar. Sie
entsprechen Weglängendifferenzen von zwei, drei oder mehreren Wellenlängen.
Die Anordnung der Atome in Materialien kann durch zwei Methoden detektiert werden. Es
handelt sich dabei um die Weitwinkel- (engl. Wide Angle X-ray Scattering; WAXS) und die
Kleinwinkel-Röntgenstreung (engl. Small Angle X-ray Scattering; SAXS).
Ursprünglich wurde das von Laue entwickelte Verfahren für photochromatische
Röntgenstrahlung auf einen Einkristall gerichtet. Ein alternatives Verfahren wurde von Debye
und Scherrer entwickelt (Abb. 3.5.). Sie verwendeten monochromatische Röntgenstrahlung,
um eine pulverförmige Probe zu analysieren. Die Idee war, dass zwar die Röntgenstrahlung
monochromatisch war, aber einige der vielen Kristalle in der Probe die richtige Ausrichtung
besitzen, um für bestimmte Kristallebenen die Bragg-Bedingungen zu erfüllen.
43
3. Messmethoden
Abb. 3.5. Schematischer Aufbau des Debye-Scherrer-Verfahrens
[128]
.
Die Probe befindet sich in einem Glasröhrchen oder auf einer Alumininumplatte und wird von
einem monochromatischen Röntgenstrahl getroffen. Die vom Kristallpulver reflektierten bzw.
gebeugten Röntgenstrahlen werden auf einem in der Messkammer ringförmig um die Probe
angebrachten Film aufgezeichnet. Anstelle des Films wird in moderneren Geräten ein
Zählrohr, welches durch den Messkreis fährt, angebracht. Die abschließende Auswertung der
erhaltenen Linien (Ringe) auf dem Film hinsichtlich ihrer Lage (Beugungswinkel) und ihrer
Intensität erlaubt die Berechnung der d-Werte.
Voraussetzung für diese Methode sollte die optimale Korngröße der Kristallite von 1/100 mm
sein.
Die
Pulverbeugungsmethoden
werden
vielfach
eingesetzt.
Eine
beispielsweise in der Archivierung in Datenbanken (z.B. ICSD
Anwendung
liegt
[129]
: Inorganic Crystal
Structure Database, JCPDS [130]).
Auch können sie auf Grund der unterschiedlichen Beugungsmuster von Festkörperphasen zur
Untersuchung von Phasendiagrammen herangezogen werden.
44
3. Messmethoden
3.3. SQUID-Magnetometer
[131-133]
Die magnetischen Eigenschaften der Lanthanid-enthaltenden Dispersionen wurden mittels
eines SQUID-Magnetometers analysiert. Die Abkürzung leitet sich vom Englischen
„superconducting quantum interference device“ ab.
Es handelt sich dabei um ein hochempfindliches Gerät, welches die Untersuchung von dünnen
magnetischen Proben erlaubt.
Durch eine supraleitende Leiterschleife mit zwei nichtleitenden „Einschnürungen“, auch als
Josephson-Kontakte bezeichnet, erfolgt die magnetische Untersuchung.
Im Allgemeinen bestehen der supraleitende Ring aus Niob und die Kontakte aus Nioboxid
(NbO). Die Supraleitung wird durch das Arbeiten in flüssigem Helium gewährleistet.
Der durch die Kontakte maximal fließende Suprastrom ist abhängig vom Magnetfeld. Durch
Ändern des Magnetfeldes im Inneren der Leiterschleife kann die Supraleitung durch einen
induzierten Strom zusammenbrechen. Das Messsignal resultiert jetzt aus den entstehenden
periodischen Stromschwankungen.
Die Messung des Magnetismus einer Probe erfolgt über das Einschließen derer in eine
Gelatinekapsel, welche in einen PVC-Halm befestigt wird. Dieser wird in die Probenkammer
eingebracht.
Bei den Untersuchungen wurden die temperaturabhängigen magnetischen Eigenschaften einer
Probe gemessen. Daraus ließ sich die Volumen- und Molsuszeptibilität berechnen.
Das SQUID-Magnetometer funktioniert nach folgendem Prinzip (Abb. 3.6.):
U~
Messkreis
V
UC, IC
Probe
Kompensation
SQUID
Flußtransformator
Abb. 3.6. Aufbau eines SQUID-Magnetometers.
45
3. Messmethoden
Der von der Probe ausgehende magnetische Fluss Φp wird von zwei supraleitenden Spulen
aufgenommen und über den Flusstransformator in das eigentliche SQUID eingekoppelt. Das
SQUID-Gerät besteht aus einem supraleitenden Ring, der an einer Stelle durch einen dünnen
Isolator unterbrochen ist (engl. weak link). Durch diesen weak link wird der kritische Fluss
ΦC erniedrigt und ein Flussquant kann in den Ring eindringen. Neben dem Fluss der Probe
wird zusätzlich ein vom Schwingkreis (=Messkreis) stammender hochfrequenter Fluss Φ~
eingekoppelt. Im SQUID liegt somit ein Gesamtfluss von Φp + Φ~ an.
Dadurch wird der kritische Fluss periodisch mit der Frequenz Φ~ überschritten und induziert
somit Spannungsimpulse im Messkreis. Diese Spannung wird über einen so genannten
Kompensationskreis konstant gehalten. Dies geschieht durch die Induzierung eines Feldes mit
entgegengesetzten Vorzeichen. Das Messsignal ergibt sich nun auf Grund der direkten
Proportionalität vom notwendigen Strom zur Flussänderung aus den Bewegungen der Probe.
Auf Grund der Messung der Probe in einer Gelatinekapsel und einem PVC-Halm (M) muss
das Ergebnis um die Magnetisierung des Probenbehälters (MK) korrigiert werden. Dadurch
kann die Magnetisierung für die verwendete Probe erhalten werden:
MP = M − MK
(3.8.)
Aus dieser Annahme lässt sich die Molsuszeptibilität (χmol) bestimmen:
χ mol =
MP
H *n
(3.9.)
mit χmol – Molsuszeptibilität (cm3mol-1), H – Magnetfeld (Am-1), N – Stoffmenge (mol).
Der paramagnetische Anteil der Suszeptibilität kann jetzt durch Abzug der diamagnetischen
molaren Suszeptibilität erhalten werden:
χ para = χ mol − χ dia
(3.10.)
Mit Hilfe des Curie-Weiss-Gesetzes ist es möglich, aus der paramagnetischen Suszeptibilität
das magnetische Moment μ zu berechnen:
46
3. Messmethoden
χ para =
C=
C
T −Θ
μO * N A
μ=
3k B
*μ 2
3k B * C
μ0 * N A
(3.11.)
(3.12.)
(3.13.)
mit:
C – Curie-Konstante (Km3mol-1), T – Temperatur (K), Θ − paramagnetische CurieTemperatur (K), μ0 – magnetische Feldkonstante (VsA-1m-1), NA – Avogadro-Konstante
(6,023*1023 mol-1), kB – Boltzmann-Konstante (JK-1), μ – magnetisches Moment (Am2).
Spins ungepaarter Elektronen rufen Paramagnetismus hervor. Durch Anlegen von hohen
Temperaturen ordnen sich diese durch thermische Bewegungen statisch an. Tiefe
Temperaturen erwirken eine Ordnung der Spins parallel zum angelegten Magnetfeld. Die
Ausrichtung der Spins kann auf Grund der geringen thermischen Energie nicht verhindert
werden.
3.4. Elektrokinetische Methoden [10, 134, 135]
Die Stabilität von Dispersionen wird maßgeblich bestimmt durch die Eigenschaften der
kolloidalen Partikel. Dies gilt vor allem für die Partikelgröße, die Partikeldispersität und die
Ladung der Teilchen.
Elektrokinetische Erscheinungen umfassen verschiedene Einzelphänomene. Es handelt sich
dabei um die Elektrophorese und das Sedimentationspotential, die Elektroosmose und das
Strömungspotential. Die Elektrophorese und das Strömungspotential sind im Prinzip zwei
analoge, aber gegenläufig ablaufende Vorgänge geladener Partikel.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes kommt es in der Elektrophorese zur Wanderung
geladener Teilchen, wohingegen die geladenen Partikel im Schwerefeld sedimentieren und
das Sedimentationsspotential ausbilden.
47
3. Messmethoden
Die Elektroosmose und das Strömungspotential sind Grenzflächenerscheinungen. Bei der
Elektroosmose wird ein elektrisches Feld angelegt, welches eine Bewegung der Flüssigkeit
auslöst. Wenn hingegen ein mechanischer Überdruck angelegt wird, findet die Umkehrung
der Elektroosmose statt. Die Flüssigkeit wird in einem Kapillarsystem zur Strömung gebracht
(Strömungspotential).
Im Folgenden soll auf die in dieser Arbeit relevanten Methoden der Elektrophorese und des
Strömungspotentials eingegangen werden.
3.4.1. Elektrophorese
Wie bereits erwähnt, wird bei der Untersuchung der elektrophoretischen Eigenschaften einer
Dispersion ein elektrisches Feld angelegt.
Die Ladungsverteilung auf Partikeloberflächen kann durch drei grundsätzliche Modelle,
Helmholtz- [136], Gouy-Chapman- [137, 138] und Stern-Modell [139], erläutert werden.
Helmholtz ging von einer starren Doppelschicht an der Phasengrenzfläche der Partikel aus.
Die Teilchenoberfläche ist mit entgegengesetzt geladenen Ionen aus der Elektrolytphase
belegt. Damit entspricht das Modell einem Plattenkondensator, der aus zwei Schichten besteht
und dem Prinzip der Elektroneutralität gehorcht.
Dieses Modell kann nur für den absoluten Nullpunkt und hohe Elektrolytkonzentrationen
angewandt werden. Die Weiterentwicklung des Modells wurde von Gouy-Chapman erreicht.
Anstatt einer starren Doppelschicht ging er von einer diffusen Schicht aus. Die Anzahl der
Überschussladungen nimmt dabei mit dem Abstand von der Oberfläche ab.
In den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts kombinierte nun Stern beide Modelle miteinander.
Neben den spezifischen Wechselwirkungen wird auch der Volumenbedarf der Ionen
berücksichtigt. Demnach besteht das Modell sowohl aus einer starren Helmholtz-Schicht als
auch aus einer diffusen Schicht (Gouy-Chapman).
In dem in Abbildung 3.7. gezeigten Beispiel besitzen die Teilchen ein negatives
Oberflächenpotential, das hier als Nernstpotential Ψ0 bezeichnet wird.
48
3. Messmethoden
Potential
-
Ψi
Ψs
Ψ0
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
+
+
+
-
-
+
+
Helmholtz
Schicht
+
-
-
+
-
+
Potentialverlauf
+
-
+
-
Gouy-Chapman Schicht
Abstand
von der
Oberfläche
Abb. 3.7. Aufbau einer diffusen Doppelschicht nach Stern.
Das negative Potential kann jetzt durch spezifische Adsorption auf das Potential der inneren
Helmholtzschicht Ψι erhöht werden.
Ein Potentialabfall auf das Sternpotential Ψs wird bewirkt durch die Adsorption von positiven
Gegenionen in der äußeren Helmholtzschicht. Die Potentialänderung verläuft in beiden
Helmholtzschichten linear, und das Potential der anschließenden diffusen Schicht fällt
exponentiell ab.
Die statistische Ladungsverteilung kann durch die Boltzmann-Verteilung quantitativ bestimmt
werden:
⎛ zF
⎞
q i = F ∑ z1c1 exp⎜ − i ΔΨ ⎟
⎝ RT
⎠
(3.14.)
mit z1 – Ladungszahl (Wertigkeit), qi – mittlere Ladungsdichte, ΔΨ – Potentialdifferenz, c1 –
Volumenkonzentration.
Da die diffuse Schicht aus freibeweglichen Ionen besteht, kann es durch Partikelbewegungen
im elektrischen Feld zu einer Abscherung bzw. Abstreifung der diffusen Schicht kommen.
Dadurch
fehlen
der
adsorbierten
Schicht
Gegenionen
zur
Kompensation
der
Oberflächenladung, und es entsteht eine Potentialdifferenz an der Scherebene gegenüber der
Bulklösung, das Zetapotential ξ:
ξ=
η
VE
ε 0ε r E
(3.15.)
49
3. Messmethoden
mit ξ – Zetapotential (mV), η – dynamische Viskosität (kg/ms), VE – elektroosmotische
Flussrate (m/s), E – elektrische Feldstärke (v/m), εr – Dielektrizitätskonstante, ε0 – elektrische
Feldkonstante.
Bei der Elektrophorese wird als Messzelle meist eine Glasskapillare eingesetzt. In Abbildung
3.8. ist der schematische Strömungsverlauf in einer Messkapillare dargestellt. Die elektrische
Doppelschicht wird an der inneren Oberfläche der Kapillare ausgebildet. Bei Anlegen einer
Spannung führt dies zur Ausbildung der elektroosmotischen Strömung. Der Flüssigkeitsstrom
ist nur in einem bestimmten Zentrumsbereich möglich. Dieser Flüssigkeitsstrom überlagert
die elektrophoretische Wanderung der Partikel.
Dadurch ist es wichtig, dass die Messung in der stationären Schicht stattfindet, wo sich
elektroosmotische Strömung und Rückströmung aufheben.
+
d
d
Abb. 3.8. Schematischer Strömungsverlauf in der Messkapillare.
Aus der experimentell bestimmten elektrophoretischen Mobilität (Beweglichkeit, u) kann das
Zetapotential berechnet werden:
u=
2ε r ε 0ξ
3η
(3.16.)
3.4.2. Strömungspotentialuntersuchungen
Das Strömungspotential entsteht, wenn eine Flüssigkeit durch Anlegen einer mechanischen
Kraft in einem Kapillarsystem zur Strömung gebracht wird.
Neben der Bestimmung der Teilchenladung durch Zetapotentialmessungen (Kap.3.4.1.),
geben auch titrimetrische Methoden (Potentiometrie, Turbiometrie, Konduktiometrie und
Polyelektrolyttitrationen) Rückschlüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit der Teilchen.
50
3. Messmethoden
In diesem Kapitel soll explizit auf
die Untersuchung mittels Polyelektrolyttitration
eingegangen werden.
Experimentell wird dies durch Messungen an einem Partikelladungsdetektor (engl. Particle
Charge Detector (PCD)) durchgeführt. Vorteil dieser Methode gegenüber den anderen ist ihre
einfache und empfindliche Möglichkeit zur Bestimmung von Ladungsmengen ohne
zeitaufwendigen
Ionenaustausch,
wie
beispielsweise
bei
potentiometrischen
oder
konduktiometrischen Säure-/Basetitrationen. Mit Hilfe der PCD-Endpunktbestimmung
können die probenspezifische Ladungsmenge und die Oberflächenladungsdichte bestimmt
werden.
Grundlage von Polyelektrolyttitrationen ist eine Komplexbildung zwischen Polyanion und
Polykation durch Ladungsneutralisation zum Symplex bzw. Polyelektrolytkomplex. Im Fall
von funktionalisierten Polymerpartikeln kommt es zu einer Komplexbildung zwischen den
funktionellen Gruppen mit dem verwendeten Polyelektrolyt. Die Symplexbildung zwischen
Partikel und Polyelektrolyt erfolgt über Coulomb-Wechselwirkungen. Dadurch sind diese nur
bei geringen Ionenstärken möglich.
Wie in Abbildung 3.9. dargestellt, besteht das PCD-Gerät aus einer Teflonmesszelle und
einem Teflonkolben.
Titrand
-
Probe
+
a)
b)
Abb. 3.9. Partikelladungsdetektor: a) prinzipieller Aufbau und b) Situation an der Kolbenwand.
Die zu untersuchende Dispersion befindet sich in der Messzelle, welche über zwei
Goldelektroden mit dem PCD-Gerät verbunden ist. Der Kolben ist direkt mit dem Instrument
verknüpft.
51
3. Messmethoden
Durch Auf- und Abwärtsbewegungen des Teflonkolbens und gleichzeitige Zugabe an
entgegengesetzt geladenem Titrand kommt es zur Abscherung der elektrochemischen
Doppelschicht der Partikel. Dadurch ergibt sich eine Ladungsverschiebung, die als
Strömungspotential gemessen wird. Die Signaländerung wird bis zum Messwert von ±0V in
Abhängigkeit der Menge an Titrator verfolgt.
Die Ladungsmenge bzw. die Menge an funktionellen Gruppen kann anschließend aus dem
Verbrauch an Polyelektrolyt mittels der Gleichung 3.17. berechnet werden [83]:
[gruppen / nm ] = V * M * N FG* ρ* *6 D
2
A
n
*10 −18
(3.17.)
mit V – Volumen des Polyelektrolyten (l), M – Molkonzentration des Polyelektrolyts (mol/l-1),
NA – Avogadro-Konstante (6,022*1023 mol-1), FG – Feststoffgehalt des Latexes (g), ρ –
Dichte des Polymers, Dn – Teilchengröße.
3.5. Magnetresonanztomographie (MRT) [140, 141]
Die MRT wird in der Medizin als diagnostisches und bildgebendes Verfahren zur Darstellung
von Strukturen des Körperinneren genutzt.
Physikalische Grundlage der Methode stellt die Kernspinresonanz (NMR) dar. Dazu wird die
Tatsache ausgenutzt, dass Protonen Eigendrehimpulse (Spin) und Atomkerne magnetische
Momente besitzen. Wird jetzt ein rotierender Kern in ein Magnetfeld B0 gebracht, so richtet
sich dieser nach B0 aus.
Mit dem Ausrichten ist eine Präzessionsbewegung des Kerns verbunden, die Rotationsachse
des Kerns dreht sich um die Richtung des angelegten B0 im angelegten Magnetfeld. Diese
Bewegung tritt auf, wenn der Kern sich nicht in seiner Ruhelage befindet. Durch Abstellen
des magnetischen Feldes fällt dieser wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Durch
Zuschaltung eines zweiten Feldes (Transversalfeld Br), welches senkrecht zu B0 steht, beginnt
der Kern sich zu bewegen und bei Abschaltung wieder zu ruhen. Um eine dauerhafte
Präzession zu gewährleisten, ist das zweite Magnetfeld ein hochfrequentes Wechselfeld (HFFeld), welches in der xy-Ebene rotiert.
52
3. Messmethoden
Für die Präzessionsbewegung existiert eine Resonanzfrequenz, welche bei Atomkernen auch
als ihre Eigenfrequenz (Lamorfrequenz) bezeichnet wird. Sie ist abhängig von der Stärke des
angelegten Magnetfeldes und vom Kernaufbau.
Durch die Wahl der Stärke des Magnetfeldes B0 und der Wahl der Frequenz von Br kann
exakt bestimmt werden, welche Kerne in Resonanz geraten sollen. Dadurch wird das
magnetische Moment m des Kerns um 90° in die xy-Ebene gekippt und rotiert mit dem
Transversalfeld Br. Wird Br abgeschaltet, rotiert der Kern weiter in der xy-Ebene. Bringt man
eine Spule in die Nähe des rotierenden magnetischen Moments, so wird in der Spule eine
Spannung induziert. Die gemessene Spannung ist dabei auf Grund dessen, dass sich die
Messspulen in der xy-Ebene befinden, proportional zur Quermagnetisierung mT des
magnetischen Moments m (siehe Abbildung 3.10.).
z
Spule
Φ
mT
y
x
U
Abb. 3.10. Schematische Darstellung der Induzierung einer Spannung in einer Messspule durch den
magnetischen Fluss des rotierenden Dipols.
Durch aneinanderfolgende HF-Impulse des Magnetfeldes Br im Körper, der in einem starken
Magnetfeld liegt, wird eine rotierende Quermagnetisierung MT erzeugt. Diese setzt sich aus
Quermagnetisierungen mT der einzelnen Kerne zusammen. Die Quermagnetisierung ist
abhängig von Ort und Gewebetyp. Ziel der MRT ist es, Schichtbilder der Quermagnetisierung
MT(x,y) zu erzeugen.
53
3. Messmethoden
3.5.1. Spin-Gitter-Relaxation (Längsrelaxationszeit T1)
Kerne können durch Einbringen eines Hochfrequenzsignals zur Präzession gebracht werden.
Mit zunehmender Einbringzeit präzedieren alle Kerne in der xy-Ebene, und die zKomponente der Magnetisierung nimmt den Wert 0 an. Durch Abstellen des Signals kommt
es durch Wechselwirkungen mit den umgebenden Atomen zu einer Relaxation.
Bei dieser Spin-Gitter-Relaxation (T1) richten sich die Magnetisierungsvektoren exponentiell
entlang des Magnetfeldes B0 aus.
In der MRT werden durch die Zugabe von Kontrastmitteln die T1-Zeiten der Protonen des im
Körper vorhandenen Wassers beeinflusst, wodurch eine höhere Signalintensität erreicht wird
und Körpergewebe von Blutgefäßen unterschieden werden können.
Des Weiteren beeinflussen Kontrastmittel die Bildgebung in Geweben, da sich das
Kontrastmittel in krankem Gewebe meist anders verhält als in gesundem.
Die erste Untersuchung der Spin-Gitter-Relaxation von 1H-Protonen wurde von Bloch et al.
im Jahr 1946 durchgeführt. Als paramagnetisches Reagenz setzten sie Eisennitrat ein [142].
Die mathematische Beschreibung von Relaxationen mit Zugabe von paramagnetischen
Substanzen wurde zuerst durch Solomon beschrieben
Bloembergen
[144]
[143]
und im Jahr 1957 durch
modifiziert:
1
2 S ( S + 1)γ 2 g 2 β 2
=
6
T1 15
r
in
2
⎛ 3τ
⎞ 2
⎞
τe
7τ C
⎛ A ⎞ ⎛⎜
C
⎜
⎟
⎟ (3.18.)
+
+
+
(
1
)
S
S
⎜
⎟
⎜1+ 2 2 1+ 2 2 ⎟ 3
⎜1+ 2 2 ⎟
h
⎝
⎠
ϖ Sτ C ⎠
⎝ ϖ Iτ c
⎝ ϖ Sτ e ⎠
mit S – Spinquantenzahl, γ – gyromagnetisches Verhältnis, g – elektronischer Faktor, β –
Bohr Magnetum, ω und ωS – Lamorfrequenz für Kern- und Elektronenspin, rin – Ionen-Kern
Abstand, A/ћ – Elektronkernhyperfeinkopplungskonstante, τC und τe – Korrelationszeit für
dipolare und skalare Wechselwirkung.
Die Gesamtrelaxation T1 in Gegenwart von paramagnetischen Substanzen setzt sich
zusammen aus den paramagnetischen und diamagnetischen Teilen der Spin-Gitter-Relaxation:
1
T1 ges
54
=
1
T1 paramagn
+
1
T1 diamagn
(3.19.)
3. Messmethoden
Dabei ist die Relaxivität R1 linear abhängig von der Konzentration der paramagnetischen
Verbindung [M]:
1
= R1 [M ] +
T1 ges
1
(3.20.)
T1 diamagn
Die Relaxivität von Wasserprotonen in wässrigen Gd3+-Komplexlösungen erhöht sich durch
dipolare Kopplungen zwischen dem elektromagnetischen Moment des Metallions und dem
kernmagnetischen Moment des Lösungsmittelkerns [145].
In Abbildung 3.11. ist das Modell zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen dem
paramagnetischen Metallzentrum und dem umgebenden Wasser dargestellt. Es können dabei
drei Arten von Wassertypen charakterisiert werden: innere Phase, zweite Phase und äußere
Phase.
In der inneren Phase (engl. inner sphere) sind die Sauerstoffmoleküle des Wassers direkt am
Gd3+-Ion gebunden. Es erfolgt ein chemischer Austausch der Wassermoleküle. Bei der
zweiten Phase (engl. second sphere) liegen die Wassermoleküle hydratisiert um den
Gadoliniumkomplex vor. Der Wasseraustausch findet über Wasserstoffbrückenbindungen
statt. Im Fall der äußeren Phase (engl. outer sphere) befinden sich die Wassermoleküle um
den Komplex herum. Ein Austausch der Protonen findet nur über Diffusionsvorgänge statt
[145]
.
τr
O
H
H
O
O
H
H
O
H
O
H
H
H
rH
Gd
H
H
k=1/τm
O
O
H
H
H
a
O
H
τS
H
H
O
H
H
O
H
H
Abb. 3.11. Schematische Darstellung der 3 Hydratationschichtenarten um einen Gd3+-Komplex.
In der Magnetresonanztomographie können verschiedene Kontrastmittelarten zum Einsatz
kommen.
55
3. Messmethoden
Neben
den
am
häufigsten
verwendeten
hydrophilen
und
paramagnetischen
Gadoliniumchelaten (z.B. Gd(DTPA), Gd(DOTA)) werden auch superparamagnetisches
Eisenoxid, Bariumsulfat und Manganverbindungen eingesetzt.
Tab. 3. 1. Verschiedene Kontrastmittel und ihre Eigenschaften [146].
Kategorie
Beispiel
Eigenschaften
Ausrichtung im externen
Magnetfeld
Diamagnetismus
H 2O
Gepaarte Elektronen
antiparallel
Paramagnetismus
Gd(DTPA)
Ungepaarte Elektronen
parallel
Ferromagnetismus
Eisen
Ungepaarte Elektronen
parallel
Superparamagnetismus
Magnetit
Ungepaarte Elektronen
parallel
Bei den paramagnetischen Kontrastmitteln zeigen vor allem seltene Erden ein hohes
Anwendungspotential. Als Paradebeispiel gilt hierbei das Element Gadolinium, welches mit
seinen 7 ungepaarten Elektronen einen hohen paramagnetischen Effekt zeigt [147].
Magnetische Dipole von paramagnetischen Substanzen sind um den Faktor 600-800 stärker
als Dipole von diamagnetischen Verbindungen, z.B. Wasserstoff. Die magnetische
Wechselwirkung ist dabei proportional zum Quadrat der beteiligten magnetischen Momente.
Dadurch ist die paramagnetische Wechselwirkung zwischen einem Gadolinum-Kontrastmittel
und einem Proton um einen Faktor von ~500.000 stärker als die Wechselwirkung zweier
Protonen untereinander. Durch die hohe Stärke der Wechselwirkung ist die Präzession der
Wasserstoffatome des Gewebes und dadurch auch die Bildauflösung des MRT-Bildes
beeinflusst. Vereinfacht kann die Wirkweise als T1-Relaxationszentrum beschrieben werden.
Die durch das Relaxationszentrum verursachten schnell fluktuierenden Felder führen zu einer
Verkürzung der T1- und T2-Relaxation. Da die T1-Erniedrigung eine Erhöhung der
Signalintensitäten bewirkt, werden paramagnetische Substanzen auch als „positive“
Kontrastmittel
bezeichnet.
Die
intensivste
Wechselwirkung
findet
zwischen
dem
Relaxationszentrum des Gadoliniums und einem an freie Koordinationsstellen gekoppelten
Proton statt. Die an den Koordinationsstellen gebundenen Protonen und die freien Protonen
des Gewebes stehen in regem Austausch miteinander.
Auf Grund der starken Wechselwirkung und der damit verbundenen Zeitabhängigkeit werden
viele Protonen durch die Gadoliniumkomplexe in ihrer freien Präzession gestört und tragen
dadurch nicht mehr zum Signal des Gewebes bei.
56
3. Messmethoden
Anders als bei den Signalintensitäten sind die Relaxationen 1/T1 und 1/T2 linear proportional
zur Konzentration des Kontrastmittels (siehe Abbildung 3.12. am Beispiel von Gd(DTPA)).
Daher muss in der medizinischen Praxis auf die richtige Dosierung des positiven
Kontrastmittels geachtet werden.
Durch eine zu hohe Dosis kann es durch den erhöhten T2-Einfluss zu einer Verringerung der
Signalintensitäten oder gar zu deren Auslöschung kommen [141].
1
T1
1
T2
30
-1
Relaxation 1/T (s )
40
20
10
0
0
1
2
3
4
5
Gd(DTPA)-Konzentration (mmol/l)
Abb. 3.12. Relaxationen als Funktion der Konzentration an Gd(DTPA).
Vorteil dieser Methode liegt in der besseren Darstellbarkeit vieler Organe im Vergleich zu
anderen diagnostischen Verfahren. Nachteile der MRT sind beispielsweise die hohen
Anschaffungskosten und die Störung der Bildentstehung durch zusätzliche Magnete, z.B.
Herzschrittmacher.
3.5.2. Spin-Spin-Relaxation (Querrelaxationszeit T2)
Durch Spin-Spin-Wechselwirkungen mit benachbarten Atomen kann die Quermagnetisierung
eines Spin-Ensembles zerfallen. Der Zerfall kann exponentiell mit der Zeitkonstante T2
dargestellt werden. Die Quermagnetisierung nimmt dabei in der xy-Ebene schneller ab als
durch Spin-Spin-Wechselwirkungen. Grund hierfür ist, dass bei MRT-Aufnahmen über ein
Volumenelement gemittelt wird, in dem das äußere Magnetfeld nicht konstant ist. Durch
Entfernen des Hochfrequenzsignals verschieben sich die Phasen der Kerne untereinander und
die xy-Komponenten der einzelnen Kerne laufen auseinander.
57
4. Ergebnisse und Diskussion
Kapitel 4.
Ergebnisse und Diskussion
Die Neugier steht immer an erster Stelle eines Problems,
das gelöst werden will.
(Galileo Galilei)
4.1. Wässrige PUR-Dispersionen
Auf Grund der hohen Reaktivität des zur Polyaddition verwendeten Diisocyanats mit Wasser
wird die Reaktion von Polyurethanen (PUR) meist in organischen Medien durchgeführt.
Dabei können neben der eigentlichen Synthese von Polyurethan verschiedene Nebenprodukte
wie Polyharnstoff oder Polyamide erhalten werden. Ziel war es nun, hydrophobe
Polyurethanfilme aus wässrigen Dispersionen mittels der Miniemulsionstechnik herzustellen.
Hierzu wurde die Polyadditionsreaktion mit zwei verschiedenen Systemen durchgeführt. In
System A wurde die Reaktion zwischen dem industriellen Arcol Polyol PPG 2000 und
verschiedenen Diisocyanaten durchgeführt. Im zweiten System, System B, wurde dem Polyol
Desmophen VP LS 2391 eine Fluorkomponente, FBB, zur Erhöhung der Hydrophobie der
PUR-Filme zugesetzt.
Die Polyaddition zwischen der Polyol- und der Diisocyanatkomponente (IPDI, TDI, HMDI)
wurde im wässrigen Medium stabilisiert durch das Tensid SDS bei einer Reaktionstemperatur
von 60 °C (12 h) durchgeführt (siehe Abb. 4.1.). Katalysiert wurde die Polyaddition durch
Dibutylzinndilaurat (DBTDL).
58
4. Ergebnisse und Diskussion
wässrige
SDS-Lösung mit
Hydrophob (HD)
System A:
Polyol +
Diisocyanat
Ultraschall
System B:
Desmophen/FBB +
Diisocyanat
Polyaddition durch Zusatz von
DBTDL
Abb. 4.1. Schematische Darstellung der Synthese von PUR-Partikeln mittels direkter Miniemulsion.
Die Synthesevorschrift stützt sich dabei auf frühere Arbeiten von Barrère et al
[37]
. Sie
synthetisierten PUR-Partikel unter Anwendung der direkten Miniemulsionstechnik. Da es im
wässrigen Medium zwei mögliche Reaktionen (Isocyanat mit Diol zu Urethan sowie
Isocyanat mit Wasser zu Harnstoff) gibt, untersuchten sie den Einfluss verschiedener
Parameter zur Minimierung der Nebenreaktion zu Harnstoff. Sie fanden heraus, dass durch
die Variation der Reaktionstemperatur (60 °C - 80 °C) ein Effekt hinsichtlich des
entstandenen Polymers erfolgt. Grund hierfür ist der Unterschied der Aktivierungsenergien
beider Reaktionen. Bei geringen Temperaturen (60 °C) besitzt die Reaktion mit Wasser eine
höhere Aktivierungsenergie als die Reaktion mit der Diolkomponente. Dies bewirkt eine
stärkere Ausbildung von Urethaneinheiten im Polymer. Dieses Ergebnis kann auch mit der
Wasserkonzentration in der organischen Phase korreliert werden. Durch Variation der
Konzentration des anionischen Tensides SDS konnte kein Effekt auf das Molekulargewicht
erhalten werden. Der Wechsel der Tensidart zu kationischen Tensiden war nicht möglich, da
diese als Katalysator für die Polyadditionsreaktion wirken. Als Katalysator wurde die
Zinnverbindung DBTDL verwendet, welche effektiv die Reaktion zwischen Diol und
Diisocyanat katalysiert. Dadurch resultieren im Vergleich zu tertiären Aminen hohe
Molekulargewichte.
59
4. Ergebnisse und Diskussion
4.1.1. Analyse des Einflusses von Diisocyanat und NCO/OH-Verhältnis
Zunächst wurde der Einfluss der Diisocyanatkomponente und des Verhältnisses zwischen
Diisocyanat und Polyol auf die Herstellung von stabilen wässrigen Polyurethandispersionen
erörtert. Als Diisocyanat wurden Isophorondiisocyanat (IPDI), 2,4-Toluoldiisocyanat (TDI)
und Hexamethyldiisocyanat (HMDI) getestet. Das Verhältnis zwischen Diisocyanat- und
Polyolkomponente (NCO/OH) wurde mit 2:1 und 1:1 festgelegt.
Zur
prinzipiellen
Analyse
der
PUR-Dispersionen
wurde
die
FTIR-Spektroskopie
herangezogen. In Abbildung 4.2. ist ein typisches IR-Spektrum einer Polyurethandispersion
Transmission (a.u.)
dargestellt.
-1
~ 1640 cm
Harnstoff
-1
~ 1740 cm
Urethan
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
Wellenzahl (cm )
Abb. 4.2. Typisches FTIR-Spektrum einer wässrigen PUR-Dispersion.
Es können zwei charakteristische Bandenbereiche definiert werden. Bei einer Wellenzahl von
ca. 1740 cm-1 befindet sich die Absorptionsbande der Urethan-, und bei ca. 1640 cm-1 die der
Harnstoffgruppe [37].
O
O
N
H
a)
N
H
O
n
n
b)
Abb. 4.3. Strukturformeln von a) Polyurethan und b) Polyharnstoff.
60
N
H
4. Ergebnisse und Diskussion
Da bei der Polymerisation zu Polyurethan im Allgemeinen immer eine Kombination aus
Urethan- und Harnstoffeinheiten vorliegt, dient die FTIR-Spektroskopie zur Differenzierung
beider funktionellen Gruppen. Dies kann in erster Näherung durch Integration der erhaltenen
Absorptionsbanden erhalten werden.
System A
Der Diisocyanateinfluss wurde bei einem konstanten NCO/OH-Verhältnis von 1:1 untersucht.
Es konnten stabile Miniemulsionen mit den Diisocyanaten IPDI und TDI, jedoch nicht unter
Verwendung von HMDI erhalten werden. Mit dem Wechsel des Diisocyanates von IPDI auf
TDI wird eine Erhöhung der Teilchengröße von 201 nm (IPDI, deg 64) auf 408 nm (TDI, deg
151) beobachtet (siehe Tab.4.1.). Grund hierfür ist der aromatische Charakter und die dadurch
höhere Reaktivität von TDI mit der wässrigen Umgebung im Vergleich zu IPDI.
Durch Analyse der FTIR-Spektren konnten Verhältnisse zwischen Urethan- und
Harnstoffeinheiten im entstandenen Polymer nach der Reaktion von 1:2,1 für IPDI (deg 64)
und 1:2,4 für TDI (deg 151) bestimmt werden. D.h. in beiden Fällen ist die Ausbildung von
Harnstoffeinheiten
doppelt
so
hoch
wie
die
Ausbildung
von
Urethaneinheiten.
Untersuchungen mittels GPC ergaben für beide Proben niedrige Molekulargewichte von 4580
g/mol (IPDI, deg 64) und 2740 g/mol (TDI, deg 151). Durch DSC-Analysen konnten die
Glasstemperaturen der synthetisierten Polyurethane bestimmt werden. Glasübergänge von
-67.6 ° C (IPDI, deg 64) und -72.2 ° C (TDI, deg 151) deuten in beiden Fällen auf Polymere
hin, welche bei Raumtemperatur weiches Verhalten aufweisen.
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen dienten dem Ziel, Informationen über die
Morphologie der Polymerpartikel zu erhalten. In Abbildung 4.4. sind diese unter Variation der
Diisocyanatkomponente dargestellt. Auf beiden Aufnahmen können längliche Gebilde,
welche sich um vereinzelte partikuläre Strukturen befinden, erkannt werden.
61
4. Ergebnisse und Diskussion
Tab. 4.1. Ergebnisse PUR-Dispersionen des Systems A.
Probe
NCO-
Zugabezeit an
Menge an
NCO/OH-
PUR/Polyharnstoff-
DI
PDI
FG
Mw
Komponente
Ethylendiamin in der
Ethylendiamin zu
Verhältnis
Verhältnis nach
(nm)**
(DV/Dn)
(%)
(g/mol)
Polyaddition (h)
NCO-Komponente
Mw/Mn
Tg
(°C)
Polyaddition*
(Gew-%)
deg 61
IPDI
2:1
1,7:1
229
2,3
20,6
7690
1,8
-63.7
deg 64
IPDI
1:1
1:1,21
201
2,1
18,7
4580
1,4
-67,6
deg 149
TDI
2:1
1:3,4
409
5,6
19,7
2780
1,2
-72.0
deg 151
TDI
1:1
1:2,4
408
6,2
7,1
2740
1,1
-72,2
deg 91
IPDI
1
2:1
1:2,8
286
2,7
23,3
5596
1,6
-65.1
deg 92
IPDI
4
1:1,9
313
2,9
28,3
6442
1,6
-65.1
deg 93
IPDI
6
1:1,7
210
1,8
23,3
6038
1,6
-64.1
deg 121
IPDI
1
1,1:1
231
3,2
18,3
4980
1,7
-69.8
deg 124
IPDI
4
1,2:1
286
2,5
18,3
5400
1,6
-69.8
deg 125
IPDI
6
1:1,2
260
3,6
18,3
5200
1,6
-69.5
* bestimmt durch Integration des FTIR-Spektrums
** bestimmt durch DLS
62
10
21
1:1
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
Abb. 4.4. REM-Aufnahmen von System A: a) IPDI:Acrol Polyol PPG 2000 (deg 64) und b) TDI: Acrol Polyol
PPG 2000 (deg 151).
Um das Filmverhalten der Polymerdispersionen zu untersuchen, wurden die Dispersionen auf
Glimmer mittels Spincoating aufgebracht und anschließend hinsichtlich der Rauhigkeit der
Filme mittels AFM analysiert (Abb. 4.5.).
a
b
63
4. Ergebnisse und Diskussion
d
c
Abb. 4.5. AFM-Aufnahmen hinsichtlich der Rauhigkeit der PUR-Filme von System A - IPDI: Acrol Polyol PPG
2000 (deg 64): a) Aufsicht, b) Seitenansicht und TDI: Acrol Polyol PPG 2000 (deg 151): c) Aufsicht,
d) Seitenansicht.
Durch den so genannten RMS-Wert kann der Grad der Rauhigkeit einer Oberfläche bestimmt
werden. Es handelt sich dabei um das quadratische Mittel der Rauhigkeit der Oberfläche.
Im Beispiel der Dispersion unter Verwendung von IPDI als Diisocyanat (Abb. 4.5. a, b)
werden RMS-Werte von 19 bis 31 nm gefunden (Tab. 4.2.). Die maximale Höhe liegt
zwischen 123 nm und 171 nm. Durch die Polyadditionsreaktion mit TDI werden höhere
RMS-Werte von 29 nm bis 37 nm erhalten (Abb. 4.5. c, d). Die maximale Höhe des Filmes ist
ebenfalls deutlich höher (221 – 323 nm). Auf Grund dieser RMS-Werte können wir
schlussfolgern, dass PUR-Filme, welche mit IPDI hergestellt wurden, eine relativ ebene
Oberfläche haben, während mit TDI hergestellte PUR-Filme eine sehr rauhe Oberfläche
aufweisen.
Tab. 4.2. Ergebnisse der AFM-Analysen von PUR-Dispersionen des Systems A.
Probe
deg 64
deg 151
Nachdem
die
geeigneten
Übersicht
Ausschnitt
Übersicht
Ausschnitt
RMS; RQ (nm)
19
21
37
29
Diisocyanate
zur
max. Höhe (nm)
171
123
323
221
Herstellung
von
wässrigen
Polyurethandispersionen gefunden wurden, bestand der nächste Schritt in der Untersuchung
des NCO/OH-Verhältnisses auf die Dispersionseigenschaften.
64
4. Ergebnisse und Diskussion
Ziel war es Polyurethane mit einem höheren Anteil an Urethaneinheiten auf Grund der
stöchiometrischen
Zusammensetzung
herzustellen.
Hierzu
wurden
Miniemulsionen,
hergestellt mit IPDI und TDI, der Verhältnisse 2:1 und 1:1 miteinander verglichen.
Durch einen Überschuss an der Diisocyanatkomponente sollte eine Erhöhung des
Molekulargewichts durch die Minimierung der Reaktion zwischen Diisocyanat und Wasser
erhalten werden.
Durch den Wechsel der Verhältnisse kommt es zu keiner signifikanten Änderung der
Teilchengrößen (Tab. 4.1.). Im Fall von IPDI werden Größen von 229 nm (2:1, deg 61) und
201 nm (1:1, deg 64) gemessen. Der Wechsel des NCO/OH-Verhältnisses von 2:1 auf 1:1
unter Einsatz des reaktiveren Diisocyanat TDI zeigt mit Partikeldurchmessern von 409 nm
(2:1, deg 149) und 408 nm (1:1, deg 151) ebenfalls keinen Einfluss auf die Größenverteilung.
Das Verhältnis zwischen Urethan- und Harnstoffeinheiten im synthetisierten Polymer hängt
nur geringfügig vom eingesetzten NCO/OH-Verhältnis ab. In allen vier Fällen liegen mehr
Harnstoff- als Urethaneinheiten vor. Bei den Molekulargewichten kann unter Verwendung
von IPDI eine Erniedrigung mit zunehmendem Diolanteil von 7690 g/mol (2:1, deg 61) auf
4580 g/mol (1:1, deg 64) beobachtet werden. Unter Einsatz von TDI verhalten sich die
gemessenen Molekulargewichte beider Verhältnisse ähnlich und liegen im Bereich von 2750
g/mol.
DSC-Analysen zeigen hinsichtlich der Änderung des NCO/OH-Verhältnisses kaum
veränderte Glasübergänge. Polyurethane hergestellt mit IPDI weisen Glasstemperaturen in
einem Bereich von -64 bis -68 °C auf, während die der mit TDI synthetisierten Polymere bei
-72 °C liegen. Dadurch ist der weiche Charakter der Polymere bewiesen.
Durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen konnte mit steigendem Gehalt an
Polyolkomponente unter Verwendung von IPDI eine Verringerung der Ausbildung von
Partikelstrukturen beobachtet werden (Vergleich Abb. 4.3.a mit Abb. 4.5.a). Es wurde
außerdem eine Zunahme der Bildung von länglichen Strukturen gefunden. Unter Verwendung
von TDI tritt nur eine geringe Änderung hinsichtlich der Partikelstrukturen auf. Es werden in
beiden NCO/OH-Verhältnissen vereinzelte Partikel, welche über lineare Ketten miteinander
verbunden sind, gefunden (Vergleich Abb. 4.4.b mit Abb. 4.6.b).
65
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
Abb. 4.6. REM-Aufnahmen von System A: a) IPDI: Acrol Polyol PPG 2000 2:1 (deg 61) und b) TDI: Acrol
Polyol PPG 2000 2:1 (deg 149).
System B
Dem System B wurde eine Fluorkomponente (FBB) zur Hydrophobisierung der späteren
Polyurethanfilme zugegeben (siehe Abb. 4.7.).
OH
HN
NH
N
O
OH
O
O
FBB
M = 823.4 g/mol
(F2 C) n= 6-16
CF3
Abb. 4.7. Strukturformel der Fluorkomponente (FBB).
Der erste Schritt bestand in der Wahl des Diisocyanats zur Bildung stabiler Dispersionen.
Hierzu wurden, bereits wie im System A, die Diisocyanate IPDI, TDI und HMDI verwendet
(NCO/OH-Verhältnis 1:1). Es konnten stabile PUR-Miniemulsionen mit dem aliphatischen
IPDI und dem aromatischen TDI erhalten werden. Keine stabilen Dispersionen wurden mit
HMDI erhalten. Unter Einsatz von IPDI wurden Teilchengrößen von 299 nm und mit TDI
von 584 nm erhalten (siehe Tab. 4.3.). Die höheren Größen im Fall von TDI resultieren aus
der höheren Reaktivität zum umgebenden Medium.
66
4. Ergebnisse und Diskussion
Tab. 4.3. Ergebnisse PUR-Dispersionen des Systems B.
Probe
NCO-
Zugabezeit an
Menge an
NCO/OH-
PUR/Polyharnstoff-
DI
PDI
FG
Mw
Komponente
Ethylendiamin in der
Ethylendiamin
Verhältnis
Verhältnis nach
(nm)**
(DV/Dn)
(%)
(g/mol)
Polyaddition (h)
zu NCO-
Mw/Mn
Tg
Statische
Kontaktwinkel (°)
Polyaddition*
Komponente
(Gew-%)
H 2O
HD
deg 66
IPDI
2:1
1:7,8
248
5,1
16,5
14.640
2.8
-63.7
67
78
deg 69
IPDI
1:1
1:1,3
299
7,3
10,2
25.750
2.2
-53.7
78
73
deg 152
TDI
2:1
3,5:1
320
5,2
1,9
11.620
2.2
-33.3
33
68
deg 154
TDI
1:1
3,7:1
584
4,3
8,7
14.170
2.0
-49.3
33
71
deg 111
IPDI
1
2:1
1,6:1
775
17,2
12,1
17.581
1.8
-53.1
76
71
deg 114
IPDI
4
1,7:1
269
3,9
10,9
8894
4.9
-51.9
99
74
deg 115
IPDI
6
2:1
208
2,6
28,1
9636
4.8
-52.3
79
70
deg 139
IPDI
1
1,9:1
230
3,2
2,1
9409
1.7
-53.7
n.m.
74
deg 142
IPDI
4
2,4:1
211
3,2
3,3
12500
1.8
-54.3
n.m.
74
deg 143
IPDI
6
1,8:1
213
2,9
1,3
14920
2.0
-52.1
n.m.
78
9
17
1:1
* bestimmt durch Integration des FTIR-Spektrums
** bestimmt durch DLS
n.m. – nicht möglich
67
4. Ergebnisse und Diskussion
Der Zusatz der hydrophoben Fluorverbindung zeigte einen hohen Einfluss auf die
Partikeldurchmesser. Im Vergleich mit den Größen von Dispersionen des Systems A, 201 nm
für IPDI (deg 64) und 408 nm für TDI (deg 151), wurde durch die Zugabe an FBB mit beiden
Diisocyanaten ein deutlicher Anstieg um ca. 100 nm erhalten.
Durch Integration der in FTIR-Spektren enthaltenen Absorptionsbanden bei 1740 cm-1 und
1640 cm-1 konnte das Verhältnis zwischen Urethan- und Harnstoffeinheiten im synthetisierten
Polymer bestimmt werden. Unter Verwendung von IPDI wurde ein Verhältnis von 1:1,3 zu
Gunsten der Ausbildung von mehr Harnstoff- als Urethaneinheiten erhalten. Durch den
Wechsel zum aromatischem Diisocyanat TDI wurde ein deutlicher Anstieg der
Urethaneinheiten gefunden (Verhältnis 3,7:1). Durch die geringe Reaktionstemperatur von 60
°C ist die Aktivierungsenergie für die Reaktion Diisocyanat - Wasser höher als für die
Reaktion Diisocyanat - Diol. Auf Grund der höheren Reaktivität des TDIs im Vergleich zum
IPDI ist die Reaktion zwischen Diisocyanat und Diol bevorzugt und es erfolgt eine starke
Ausbildung von Urethaneinheiten im Polymer.
Mittels GPC-Analyse wurden Molekulargewichte von 25.750 g/mol (IPDI, deg 69) und
14.170 g/mol (TDI, deg 154) bestimmt. Das niedrigere Molekulargewicht unter Verwendung
von TDI konnte durch deren hohe Reaktivität mit Wasser und damit der deutlichen offStöchiometrie der Reaktionspartner erklärt werden.
Im direkten Vergleich zu den Molekulargewichten von Dispersionen des Systems A (4580
g/mol, IPDI und 2740 g/mol, TDI) wurden hier deutlich längerkettige Polymere erhalten. Dies
hängt hauptsächlich von der zusätzlichen Verwendung der Fluorverbindung ab, da diese in
das Polymer eingebaut wird und demnach quasi als Kettenverlängerer fungiert.
Des Weiteren kommt es offensichtlich durch die Zugabe von FBB zu einer höheren
Abschirmung des Wassers, wodurch die Isocyanatgruppen schneller mit den Alkoholgruppen
des Polyols als mit dem umgebenden Wasser reagieren können.
Untersuchungen mittels DSC zeigen, dass PUR-Dispersionen beider Diisocyanate (IPDI,
TDI) als weiche Materialien zu betrachten sind. Es konnten Glastemperaturen von -53.7 °C
(IPDI, deg 69) und -49.3 °C (TDI, deg 154) erhalten werden.
Zur Analyse der Teilchenmorphologie wurden rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen
durchgeführt (siehe Abbildung 4.8.).
68
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
Abb. 4.8. REM-Aufnahmen von System B: a) IPDI:Desmophen VP LS 2391/FBB 1:1 (deg 69) und
b) TDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 1:1 (deg 154).
Durch Verwendung von IPDI und TDI ist in beiden Fällen die Ausbildung von
Polymerpartikeln zu erkennen. Abbildung 4.8.a zeigt die Situation mit IPDI. Es wurden
Teilchen unterschiedlicher Größe, die bereits verfilmt sind und eine rauhe Oberfläche
besitzen, gefunden. Bei der PUR-Dispersion, welche mit TDI hergestellt wurde, ist die
Ausbildung zu sphärischen Strukturen stärker ausgeprägt (Abb. 4.8.b). Die rauhen
Polymerpartikel liegen in unterschiedlichen Größen vor und befinden sich meist
aneinandergelagert. Die breite Größenverteilung dieser beiden Dispersionen korrespondiert
mit Polydispersitäten von >2, welche aus dynamischen Lichtstreuungsergebnissen bestimmt
wurden.
Aus anschließenden AFM-Untersuchungen konnten Informationen über das Filmverhalten der
PUR-Dispersionen erhalten werden (Abb. 4.9.). Im Vergleich zu Dispersionen des Systems A
wurden Dispersionen des Systems B auf Grund der zusätzlichen hydrophoben
Fluorkomponente statt auf Glimmer auf einer Glasoberfläche aufgebracht.
69
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
c
d
Abb. 4.9. AFM-Aufnahmen hinsichtlich der Rauhigkeit der PUR-Filme von System B - IPDI: Desmophen VP
LS 2391/FBB (deg 69): a) Aufsicht, b) Seitenansicht und TDI: Desmophen VP LS 2391/FBB
(deg 154): c) Aufsicht, d) Seitenansicht.
Durch den Einsatz von IPDI als Diisocyanat (Abb. 4.9. a, b) wurden RMS-Werte im Bereich
von 10 nm bestimmt (Tab. 4.4.). Die maximale Höhe liegt zwischen 79 nm und 111 nm.
PUR-Filme, hergestellt mit TDI, weisen höhere RMS-Werte auf. Diese liegen im Bereich von
56 – 95 nm. Die Seitenansicht des AFM-Höhenbildes (Abb. 4.9.d) zeigt dieses graphisch. Wir
können festhalten, dass PUR-Filme, welche mit IPDI hergestellt wurden eine relativ ebene
Oberfläche haben, während mit TDI hergestellte PUR-Filme eine sehr rauhe Oberfläche
aufweisen.
70
4. Ergebnisse und Diskussion
Tab. 4.4. Ergebnisse der AFM-Analysen von PUR-Dispersionen des Systems B.
Probe
deg 69
deg 154
Übersicht
Ausschnitt
Übersicht
Ausschnitt
RMS; RQ (nm)
9
10
95
56
Max. Höhe (nm)
111
79
603
330
Analog zum System A wurde das NCO/OH-Verhältnis mit den Diisocyanaten IPDI und TDI
variiert (2:1, 1:1).
Die Teilchendurchmesser nehmen bei beiden Diisocyanaten mit zunehmendem Diolanteil zu
(siehe Tab. 4.3.). Der gleiche Effekt wird bei den erhaltenen Molekulargewichten beobachtet.
Unter Verwendung von IPDI kommt es zu einer Steigerung von 14.460 g/mol (2:1) auf
25.750 g/mol (1:1). Der starke Anstieg ist vor allem auf die Zunahme von Urethaneinheiten
im hergestellten Polymer zurückzuführen. Im Vergleich zeigen TDI-synthetisierte
Polymerpartikeln geringere Molekulargewichte, welche ebenfalls mit höherem Diolanteil von
11.620 g/mol (2:1) auf 14.170 g/mol (1:1) steigen. Auch hier kommt es durch die Abnahme
des Diisocyanatanteils zu einem Anstieg von im Polymer enthaltenen Urethaneinheiten.
Dieser ist nicht so stark ausgeprägt wie im Fall von IPDI und wirkt sich deshalb auch nicht so
stark auf das Molekulargewicht aus.
DSC-Analysen ergaben einen Anstieg der Glasstemperaturen von -63.7 °C (2:1) auf -54 °C
(1:1) im Fall von IPDI und einen Abfall von -33 °C (2:1) bis -49 °C (1:1) für TDIDispersionen. Die erhaltenen niedrigeren Glasstemperaturen von IPDI-PUR-Dispersionen
weisen auf eine erhöhte Wahrscheinlichkeit zur Ausbildung von Filmen hin.
In Abbildung 4.10. sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen des NCO/OHVerhältnisses von 2:1 dargestellt.
a
b
Abb. 4.10. REM-Aufnahmen von System B: a) IPDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 2:1 (deg 66) und
b) TDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 2:1 (deg 152).
71
4. Ergebnisse und Diskussion
Unabhängig vom Disocyanat konnten in beiden Aufnahmen partikuläre Strukturen
unterschiedlicher Durchmesser gefunden werden (Abb. 4.10.a, b). Unter Verwendung von
IPDI liegen diese eher zusammenhängend vor, während mit TDI vereinzelte Aggregate
größerer Polymerpartikel gefunden werden.
Um nun den Einfluss der Fluorkomponente näher festzustellen, wurden TEM-Bilder
aufgenommen (Abb. 4.11.).
a
b
c
d
Abb. 4.11. TEM-Aufnahmen von System B: a) IPDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 2:1 (deg 66),
b) IPDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 1:1 (deg 69), c) TDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 2:1
(deg 152) und d) TDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 1:1 (deg 154).
72
4. Ergebnisse und Diskussion
Vor allem Proben, in welchen IPDI als Diisocyanat eingesetzt wurde, zeigen strukturierte
Teilchenmorphologien. Die Kernschalestruktur der Polymerpartikel deutet darauf hin, dass
die Fluorverbindungen nicht homogen eingekapselt wurden.
Die Struktur verändert sich kaum mit abnehmendem Isocyanatanteil. Wird statt IPDI TDI
verwendet, kann eine Änderung in der Partikelmorpholgie beobachtet werden.
Neben einigen wenigen Kernschalepartikeln werden vor allem sphärische Teilchen, bestehend
aus einem homogenen PUR-FBB-System, erhalten (Abb. 4.11.c, d). Die Strukturart ist dabei
nahezu unabhängig vom NCO/OH-Verhältnis.
4.1.2. Kettenverlängerung mit Ethylendiamin
Um Polyurethane mit höheren Molekulargewichten zu synthetisieren, wurde Ethylendiamin
als Kettenverlängerer zugegeben.
Die Reaktivität der Isocyanatgruppe wurde kinetisch untersucht, um die Zugabezeit an
Ethylendiamin bestimmen zu können. Dazu wurde die Polymerisation zwischen Polyol und
Diisocyanat in beiden Systemen beobachtet und mittels FTIR-Spektroskopie untersucht. Die
Isocyanatgruppe zeigt eine charakteristische Absorptionsbande bei 2250 cm-1.
In Abbildung 4.12. sind die gemessenen FTIR-Spektren in Abhängigkeit von der
Transmission (a.u.)
Transmission (a.u.)
Polymerisationszeit für die Verwendung des Diisocyanats IPDI und TDI dargestellt.
nach 5 min Polyaddition
nach 15 min Polyaddition
nach 1 h Polyaddition
nach 1 h Polyaddition
nach 4 h Polyaddition
nach 6 h Polyaddition
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
3250
1600
3000
a)
2750
2500
2250
2000
1750
1500
1250
1000
-1
-1
Wellenzahl (cm )
Wellenzahl (cm )
b)
Abb. 4.12. FTIR-Spektren von kinetischen Messungen des Systems A: a) IPDI: Acrol Polyol PPG 2000 1:1
(deg 147) und b) TDI:Acrol Polyol PPG 2000 1:1 (deg 155).
73
4. Ergebnisse und Diskussion
Wird IPDI als Diisocyanatkomponente verwendet, kann deren Isocyanatgruppe bis zu vier
Stunden nach Beginn der Polyadditionsreaktion reagieren (Abb. 4.12.a).
Um später Polyurethane mit höheren Molekulargewichten durch eine Kettenverlängerung zu
erhalten, reicht es aus, den Kettenverlängerer Ethylendiamin bis zu vier Stunden nach dem
Polymerisationsstart zuzugeben. Auf Grund des aromatischen Charakters und der daraus
resultierenden höheren Reaktivität von TDI, muss hier der Kettenverlängerer bis spätestens
eine Stunde nach Start der Polyaddition zugegeben werden (Abb. 4.12.b). Dadurch ist es
möglich, höhermolekulare Polyurethane herzustellen. Mit beiden Diisocyanaten ist bei
späterer Zugabe die Reaktivität der Isocyanatgruppe nahezu verbraucht, und die Zugabe eines
Kettenverlängeres führte nicht zum gewünschten Ergebnis (höheres Molekulargewicht).
Die gleichen Schlussfolgerungen können auch im Fall des Systems B aus den FTIR-Spektren
Transmission (a.u.)
Transmission (a.u.)
gezogen werden (siehe Abbildung 4.13.).
nach 5 min Polyaddition
nach 15 min Polyaddition
nach
1 h Polyaddition
nach 1 h Polyaddition
nach 4 h Polyaddition
nach 6 h Polyaddition
2400
2250
2100
1950
1800
1650
1500
2700
-1
a)
2550
2400
2250
2100
1950
1800
1650
1500
-1
Wellenzahl (cm )
Wellenzahl (cm )
b)
Abb. 4.13. FTIR-Spektren von kinetischen Messungen des Systems B: a) IPDI: Desmophen VP LS 2391/FBB
1:1 (deg 148) und b) TDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 1:1 (deg 156).
Die Kettenverlängerung mit Ethylendiamin erfolgte jetzt zu unterschiedlichen Zeiten der
Polyaddition (nach 1 h, 4 h, 6 h).
Die Untersuchungen konnten nur mit dem Diisocyanat IPDI durchgeführt werden, da es unter
der Verwendung von TDI nicht möglich war, stabile vernetzte Dispersionen herzustellen.
74
4. Ergebnisse und Diskussion
System A
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4.1. zusammengefasst.
Unter Verwendung von 10 Gew-% Ethylendiamin bei unterschiedlichen Additionszeiten
kommt es zu einer Erhöhung der Partikelgrößen von 286 nm (Zugabe nach 1 h) auf 313 nm
(Zugabe nach 4 h). Eine spätere Zugabe resultierte in einer Abnahme der Teilchengrößen.
Im Vergleich zu Dispersionen ohne Ethylendiamin wird eine Erhöhung der Größen von 229
nm auf 313 nm erhalten. Das Verhältnis zwischen Urethan- zu Harnstoffeinheiten im Polymer
verändert sich durch die Verlängerung und es werden vermehrt Harnstoffeinheiten
ausgebildet. Die ermittelten Glasstemperaturen zeigen keine nennenswerten Änderungen.
Durch Einsatz von Ethylendiamin kommt es zu einer Verringerung des Molekulargewichts
von 7690 g/mol auf 5596 g/mol (Zugabe nach 1 h Reaktion). Bei einer Zugabezeit an
Ethylendiamin nach 4 h Polyadditionsreaktion werden Polymere mit Molekulargewichten von
6442 g/mol erhalten. Spätere Zugabe resultierte in einem erneuten Abfall der
Molekulargewichte. Durch den Einsatz eines Kettenverlängerers wird demnach kein Effekt
auf das Molekulargewicht der Polymeren erreicht.
Bei einer Konzentration von 21 Gew-% an Ethylendiamin wurden nur geringe Unterschiede
hinsichtlich der Teilchengröße gefunden. Die Größen steigen von 201 nm, ohne
Ethylendiamin (deg 64), auf
286 nm, Zugabe Ethylendiamin nach vier Stunden
Polyadditionsreaktion (deg 124). Durch Zugabe von Ethylendiamin kommt es zu einer
Erhöhung des Anteils an Polyurethaneinheiten, der bei zu später Zugabe (6 h) wieder
abnimmt. Bei dieser Zugabezeit ist die Polyadditionsreaktion zwischen Diol und Diisocyanat
nahezu beendet. Wird nun Ethylendiamin zugegeben, so reagiert dieses mit der wässrigen
Phase unter Bildung von Polyharnstoff. Die Molekulargewichte erhöhen sich von 4579 g/mol
ohne Kettenverlänger auf 5406 g/mol mit Kettenverlänger (Zugabe Ethylendiamin nach 4 h
Polyadditionsreaktion, deg 124). Bei einer späteren Zugabe von sechs Stunden kommt es zu
einer leichten Erniedrigung des Molekulargewichts auf 5207 g/mol (deg 125). In diesem Fall
zeigt die Zugabe von Ethylendiamin keinen Effekt auf eine Verlängerung der Polymerketten.
Die mit DSC gemessenen Glasübergänge weisen durch Zugabe an Ethylendiamin kaum
Veränderungen auf. Sie bewegen sich im Bereich von -68 °C bis -70 °C und deuten auf bei
Raumtemperatur weiche Materialien hin.
75
4. Ergebnisse und Diskussion
Durch die Zugabe des Kettenverlängerers kommt es zu einem Verschwinden der partikulären
Strukturen zu Gunsten einer Vernetzung linearer Segmente (Abb. 4.14. b).
a
b
Abb. 4.14. REM-Aufnahmen von System B; Zugabe Ethylendiamin nach 4 h Polyadditionsreaktion:
a) 10 Gew-% Ethylendiamin (IPDI: Acrol Polyol PPG 2000 2:1, deg 92) und b) 21 Gew-%
Ethylendiamin (IPDI: Acrol Polyol PPG 2000 1:1, deg 124).
System B
Die Ergebnisse von wässrigen PUR-Dispersionen des Systems B sind in Tabelle 4.3.
dargestellt.
Bei einer Konzentration von 9 Gew-% Ethylendiamin erfolgt mit steigender Additionszeit
eine Abnahme der Partikelgrößen von 765 nm auf 201 nm. Im Vergleich zu Dispersionen
ohne Kettenverlängerer verändert sich, mit Ausnahme von einer Zugabe nach einer Stunde,
die Teilchengröße kaum. Hinsichtlich des Molekulargewichtes werden Unterschiede erhalten.
Durch die Zugabe eines Kettenverlängerers kommt es zu einer Verringerung des
Molekulargewichtes von 14.640 g/mol (ohne Ethylendiamin) auf 8894 g/mol. Eine Ausnahme
stellt die Dispersion, welche einen Zusatz von Ethylendiamin nach einer Stunde Reaktionszeit
enthält, dar. Durch die hohen Partikelgrößen von 765 nm wird ein hohes Molekulargewicht
von 17.581 g/mol erhalten. Das Verhältnis zwischen Urethan- und Harnstoffeinheiten im
Polymer verändert sich durch die Kettenverlängerung zu Gunsten des Urethananteils. DSCUntersuchungen
zeigen,
dass
durch
die
Kettenverlängerung
Glasstemperaturen von -63.7 °C auf bis zu -51.9 °C erfolgte.
76
eine
Zunahme
der
4. Ergebnisse und Diskussion
Die erhaltenen REM-Aufnahmen von kettenverlängerten Polyurethanen zeigen kaum
Unterschiede zu nicht kettenverlängerten Polymeren (Abb. 4.15.a, Abb. 4.10.a). In beiden
Fällen werden partikuläre Strukturen unterschiedlicher Größe ausgebildet.
Mit zunehmender Additionszeit an 17 Gew-% Ethylendiamin wurden Teilchengrößen im
Bereich von 211 nm bis 230 nm gefunden.
Im Vergleich zu Größen wässriger PUR-Dispersionen ohne Ethylendiamin kann eine
Erniedrigung von 299 nm auf 211 nm beobachtet werden. Betrachten wir die
Molekulargewichte der Dispersionen, so zeigt sich, dass Proben ohne Kettenverlängerer ein
höheres Molekulargewicht aufweisen als Proben mit Ethylendiamin. Das Molekulargewicht
reduziert sich von 25.750 g/mol (deg 69) durch Zugabe von Ethylendiamin nach einer Stunde
Polymerisation auf 9409 g/mol (deg 139). Erklärbar wäre dies durch eine Reaktion zwischen
Ethylendiamin und der Diisocyanatkomponente. Das Verhältnis zwischen Urethan- und
Harnstoffeinheiten ist zu Gunsten des Harnstoffanteils verschoben. Bei späterer Zugabe
steigen die Molekulargewichte auf bis zu 14.920 g/mol (deg 143) wieder.
Die Zugabe an Ethylendiamin zeigt keinen Einfluss auf die Glastemperaturen, welche mit
-54
ºC
einen
konstanten
Wert
anstreben.
Das
mittels
IR-Analyse
bestimmte
Urethan/Harnstoff-Verhältnis nimmt, wie im System A, mit zunehmender Zugabezeit zu.
REM-Aufnahmen zeigen durch die Addition von Ethylendiamin eine vermehrte Ausbildung
an Partikeln (Abb. 4.15.b). Dabei sind kleinere Teilchen miteinander verschmolzen. Große
Partikel liegen vereinzelt auf den verschmolzenen kleineren Partikeln vor.
a
b
Abb. 4.15. REM-Aufnahmen von System B; Zugabe Ethylendiamin nach 4 h Polyadditionsreaktion:
a) 9 Gew-% Ethylendiamin (IPDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 2:1, deg 114) und b) 17 Gew-%
Ethylendiamin (IPDI: Desmophen VP LS 2391/FBB 1:1, deg 142).
77
4. Ergebnisse und Diskussion
Für beide Systeme (A, B) können wir festhalten, dass der Zusatz des Ethylendiamins als
Kettenverlängerer, unabhängig von seiner Konzentration, nicht zu einer Erhöhung der
Molekulargewichte führt. Jedoch kommt es durch den Eintrag von Ethylendiamin zu einer
zunehmenden Ausbildung an vernetzten Strukturen.
4.1.3. Kontaktwinkelmessungen
Um die Filmeigenschaften zu verstehen, wurden mit beiden Systemen statische
Kontaktwinkeluntersuchungen durchgeführt. Hierzu wurden die Dispersionen auf eine
Glasoberfläche aufgebracht, anschließend getrocknet und mit den Substanzen Wasser und
Hexadekan benetzt.
Wie in Abbildung 4.16. erkennbar, werden mögliche Benetzungsarten von Oberflächen in
drei Arten unterschieden: vollständige, partielle und keine Benetzung. Durch die mit dem
Goniometer bestimmten Kontaktwinkel kann jetzt auf die Art der Benetzung geschlossen
werden.
a
b
c
θ ~ 0°
θ < 90°
θ > 90°
Abb. 4.16. Darstellung der möglichen Benetzungsphänomene; a – vollständige Benetzung, b – partielle
Benetzung, c – keine Benetzung.
Im Fall von System A war es äußerst schwierig, Kontaktwinkelwerte zu messen. Der Grund
liegt in der schnellen Spreitung der aufgetragenen Tropfen auf der Glasoberfläche, auf
welcher die Dispersionen aufgetrockneten waren, welche keine Messung erlaubte. Es kann
davon ausgegangen werden, dass diese Proben eine vollständige Benetzung auf Grund ihrer
hohen Hydrophobie zeigen.
Die zusätzliche Fluorkomponente FBB im System B erlaubt es jetzt, die erhaltenen Filme
hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften zu analysieren (siehe Tabelle 4.3.).
Durch die Verwendung von IPDI konnten mit den Medien Wasser und Hexadekan statische
Kontaktwinkel von 67 ° bis 78 ° erhalten werden.
78
4. Ergebnisse und Diskussion
Diese Werte deuten auf eine partielle Vernetzung hin und somit auf hydrophobe Filme. Unter
Verwendung von TDI kann eine deutliche Veränderung zwischen den eingesetzten Medien
erkannt werden. Wird als Medium das hydrophile Wasser verwendet, werden Werte im
Bereich von 33 ° gemessen. Demnach zeigen die PUR-Dispersionen in diesem Fall
hydrophoben Charakter.
Mit dem hydrophoben Hexadekan befinden sich die Kontaktwinkel allerdings im Bereich von
70 °, ähnlich wie mit IPDI. Dies deutet auf hydrophile Eigenschaften hin. Daraus können wir
schlussfolgern, dass die PUR-Filme, welche mit TDI hergestellt wurden, oleophobes
Verhalten aufweisen.
Das Benetzungsverhalten von mit TDI hergestellten PUR-Filmen hängt dabei vom Verhältnis
von Urethan- zu Harnstoffeinheiten ab. Unter Verwendung des Diisocyanats IPDI wird durch
die Änderung des NCO/OH-Verhältnis von 2:1 zu 1:1 der Anteil an Urethaneinheiten im
Polymer erhöht. In beiden Fällen liegen jedoch mehr Harnstoff- als Urethaneinheiten vor. Mit
TDI synthetisierte PUR-Dispersionen zeigen unabhängig vom eingesetzten Verhältnis
zwischen Disocyanat und Polyol einen höheren Anteil an Urethaneinheiten.
Abschließend können wir festhalten, dass das Benetzungsverhalten von PUR-Filmen
(hydrophil oder hydrophob), welche die Fluorverbindung FBB besitzen, abhängig vom
verwendeten Diisocyanat ist.
79
4. Ergebnisse und Diskussion
4.2. Synthese von strukturierten Lanthanid-Partikeln
In diesem Teilabschnitt wird die Synthese von strukturierten anorganisch-organischen
Hybridmaterialien durch Einsatz der Miniemulsionstechnik beschrieben. Detailliert wird die
Untersuchung der Strukturierung von Polymernanopartikeln mit Lanthanidkomplexen X(Y)3
(X: Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb; und Y: tmhd, fod, dbm, pbd, aema) bei der Verwendung
verschiedener Polymere aus Methacrylaten, Acrylaten und Vinylmonomeren untersucht. Die
Variation der Tensidart sowie –konzentration, der Lösungszeit und des Molverhältnisses
zwischen Monomer und Komplex gibt ebenfalls Aufschluss über die Strukturierung. Um die
biomedizinische Anwendung solcher lanthanidhaltigen Systeme aufzuzeigen, wurden
Funktionalisierungen der Partikeloberfläche durchgeführt.
4.2.1. Gadoliniumhaltige PLMA-Nanopartikel
Frühere Arbeiten befassten sich bereits mit der Synthese von Lanthanidnanopartikeln
[69, 148]
.
Die Idee dahinter war, dass verkapselte Lanthanidverbindungen in einer Polymermatrix als
neuartige Kontrastmittel in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden sollten. Dabei
wurde durch das Einbringen von Lanthanidkomplexen eine Strukturierung mit dem Monomer
bzw. Polymer erhalten.
Ramirez et al. untersuchten bereits die Heterophasenpolymerisation von Butylacrylat (BA) in
Gegenwart von Lanthanidkomplexen
[69, 148]
. In Anlehnung an diese Arbeiten wurde im
nachfolgenden Kapitel als Ausgangsmonomer das längerkettige Laurylmethacrylat (LMA)
verwendet.
Hierzu wurden erste Untersuchungen der Polymerisation von LMA mit dem Komplex
Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat), Gd(tmhd)3, durchgeführt. Das molare
Verhältnis zwischen Monomer (LMA) und Komplex (Gd(tmhd)3) lag dabei bei 50:1, und zur
Stabilisierung der Dispersion wurde das anionische Tensid SDS (30 Gew-% zur dispersen
Phase) verwendet.
Eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses mittels Miniemulsionstechnik ist in
Abbildung 4.17. dargestellt.
80
4. Ergebnisse und Diskussion
R1
O
O
Gd
1) Zugabe von H2O,
SDS und HD,
Initiator
+
O
2) Ultraschall
OC 12H 26
R2
Polymerisation
3
Gadolinium tris(2,2,6,6-tetramethyl3,5-heptandionat),
Gd(tmhd)3
Laurylmethylacrylat
(LMA)
Abb. 4.17. Schematische Darstellung der Synthese von gadoliniumhaltigen PLMA-Nanopartikeln.
Um den Komplex homogen in der Dispersion zu verteilen, wurde er durch einen 30 minütigen
Temperschritt im Monomer bei 72 °C gelöst. Nach Zugabe des Hydrophob Hexadekan wurde
zur anschließenden Voremulgierung eine wässrige Tensidlösung (SDS) und der radikalische
Initiator V59 hinzugefügt. Nachdem die Mischung homogen gerührt wurde, erfolgte die
Herstellung der Miniemulsion mittels Ultraschall. Die Polymerisation wurde radikalisch bei
72 °C durchgeführt.
In
Tabelle
4.5.
sind
Dispersionen
mit
und
ohne
Zusatz
des
hydrophoben
Gadoliniumkomplexes Gd(tmhd)3 dargestellt.
Tab. 4.5. Eigenschaften von PLMA-Nanopartikeln.
DI (nm)
Molverhältnis
LMA/Gd(tmhd)3
gd 16
0
64
gd 9
50:1
253
*bestimmt durch SAXS-Analysen
PDI
(Dv/Dn)
1,6
3,6
Probe
FG
(%)
11,8
11,3
Theo FG
(%)
9,6
10,6
Schichtabstand
(nm)*
3,87
Schichtabstand
(nm)**
4
** bestimmt aus TEM-Aufnahmen
Sowohl in Bezug auf die Partikelgröße als auch die Polydispersität kann ein Anstieg durch
Einsatz
des
hydrophoben
Gadoliniumkomplexes
beobachtet
werden.
Die
Teilchendurchmesser steigen dabei von 64 nm auf 253 nm. In beiden Fällen werden auf
Grund von Trocknungseffekten höhere Feststoffgehalte gemessen als theoretisch möglich
wären. Berechnete Polydispersitäten zeigen für PLMA-Nanopartikel einen Wert von 1,6,
welcher
auf
eine
monomodale
Größenverteilung
hinweist.
Durch
Zugabe
des
Gadoliniumkomplexes kommt es zu einer Erhöhung der Polydispersität auf 3,6. Der hohe
PDI-Wert kann auf die Morphologie der Partikel zurückgeführt werden. Dispersionen ohne
Gadoliniumanteil konnten auf Grund der niedrigen Glasstemperatur (Tg) hinsichtlich ihrer
partikulären Struktur nicht im TEM untersucht werden. Es ist aber zu erwarten, dass die
Partikel sphärischer Natur sind.
81
4. Ergebnisse und Diskussion
Erst durch Zugabe des Gadoliniumkomplexes war es möglich, TEM-Analysen durchzuführen
(Abb. 4.18.). Durch den Einsatz des Gadoliniumkomplexes findet eine „Härtung“ der Partikel
statt. Des Weiteren liegt eine höhere Elektronendichte des Gadoliniumkomplexes vor und das
dreiwertige Gadoliniumion wirkt als Kontrastmittel, welches elektronenmikroskopische
Untersuchungen möglich macht.
Abb. 4.18. TEM-Aufnahmen von LMA:Gd(tmhd)3 50:1 (gd 9).
Wie in Abbildung 4.18. zu erkennen, werden offene Teilchenmorphologien erhalten, welche
in den verhältnismäßig hohen Teilchengrößen resultieren. Es kommt zur Ausbildung von
lamellaren Schichten. Auf Grund der höheren Elektronendichte von Gadolinium sind die
dunkleren Schichten auf den Gadoliniumkomplex zurückzuführen. Die Schichtabstände
können zu 4 nm bestimmt werden.
Untersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie (WAXS) wurden durchgeführt, um nun die
Eigenschaften der Dispersionen (amorph, kristallin) zu analysieren.
In Abbildung 4.19. sind Röntgendiffraktogramme von Ausgangsprodukten (SDS, Gd(tmhd)3)
im Vergleich mit einer getrockneten Dispersion (PLMA:Gd(tmhd)3 50:1, Lösungszeit: 0,5 h
vor US) gezeigt.
82
4. Ergebnisse und Diskussion
Intensität (a.u.)
Gd(tmhd)3
SDS
gd 9
5
10
15
20
25
30
2 Theta (°)
Abb. 4.19. WAXS-Diffraktogramme von SDS, Gadoliniumkomplex und PLMA:Gd(tmhd)3-Nanopartikeln (gd
9).
Deutlich erkennbar ist hierbei die hohe kristalline Ordnung des anionischen Tensides SDS.
Der Gadoliniumkomplex Gd(tmhd)3 weist ebenfalls leicht kristallines Verhalten auf. Bei der
getrockneten Dispersion ist zu erkennen, dass ein Hauptteil der in SDS auftretenden Reflexe
sich im Diffraktogramm der getrockneten Probe wiederfindet lässt.
Um jetzt die kristallinen Bereiche in der Miniemulsion näher zuordnen zu können, wurden
Diffraktogramme von getrockneten Dispersionen mit und ohne den Zusatz des
Gadoliniumkomplexes gemessen (Abb. 4.20.).
Intensität (a.u.)
gd 9
gd 16
5
10
15
20
25
30
2 Theta (°)
Abb. 4.20. WAXS-Diffraktogramme von PLMA-Nanopartikeln (gd 16) und PLMA:Gd(tmhd)3-Nanopartikeln
(gd 9).
83
4. Ergebnisse und Diskussion
Der
Vergleich
zeigt,
dass
eine
getrocknete
Dispersion
mit
dem
verwendeten
Gadoliniumkomplex (gd 9) eine höhere Anzahl an kristallinen Reflexe aufweist als eine
getrockneten Dispersion, welcher kein Gadoliniumkomplex zugegeben wurde. Diese
Reflexbereiche (bei 2Theta = 9°, 14°, 18°) können nicht dem reinen Gadoliniumkomplex
zugeordnet werden (siehe Abb. 4.20.). Eine Annahme wäre, dass diese Bereiche durch
mögliche Organisationsvorgänge zwischen SDS und dem Gadoliniumkomplex entstehen.
Um dies näher zu analysieren, wurden Dispersionen gewaschen und nach dem Trocknen
mittels Röntgenbeugung untersucht (Abb. 4.21.).
Intensität (a.u.)
ohne Dialyse
mit Dialyse
5
10
15
20
25
30
2 Theta (°)
Abb. 4.21. WAXS-Diffraktogramme von PLMA:Gd(tmhd)3-Nanopartikeln (gd 9) konzentriert und nach
Auswaschen von SDS.
Es ist zu erkennen, dass durch den Waschvorgang die kristallinen Bereiche der getrockneten
Probe verschwinden. Durch das Waschen erfolgt das Entfernen der lamellaren Schichten
innerhalb der Partikelmorphologie. Durch TEM-Aufnahmen konnte erkannt werden, dass mit
dem Auswaschen von SDS die Strukturierung der Polymerpartikel verloren geht (nicht
gezeigt). Eine geringe Tensidkonzentration führt zu einer Abnahme der Partikelstabilität.
Um den Abstand der Schichten zueinander bestimmen zu können, wurden Untersuchungen
mittels Röngenkleinwinkelstreuung (SAXS) durchgeführt.
Anhand des erhaltenen Reflexes konnte durch Hinzuziehung der Bragg-Gleichung der
Schichtabstand in nm berechnet werden. In Abbildung 4.22. ist ein SAXS-Diffraktogramm
einer gefriergetrockneten Probe, PLMA:Gd(tmhd)3 50:1, dargestellt.
84
4. Ergebnisse und Diskussion
Strukturfaktor q
0,04
1,00
1,25
0,06
1,50
0,08
0,10
1,75
0,12
2,00
0,14
2,25
0,16
2,50
0,18
0,20
2,75
3,00
2 Theta (°)
Abb. 4.22. SAXS-Messung einer gefriergetrockneten Miniemulsion PLMA:Gd(tmhd)3 50:1.
Es konnte ein Reflex der Probe bei 2,28° (2θ) gefunden werden. Wird jetzt die BraggGleichung zur Bestimmung des Schichtabstandes verwendet, so konnte in diesem Fall ein
Wert von 3,87 nm berechnet werden. Dieser Wert stimmt sehr gut mit den Abständen von ca.
4 nm, welche aus TEM-Aufnahmen bestimmt wurden, überein. Wir nehmen an, dass die
Strukturierung, wie bereits durch WAXS-Untersuchungen gezeigt, hauptsächlich durch
Wechselwirkung des Gadoliniumkomplexes mit den Tensidmolekülen (SDS) entsteht.
Da in den Miniemulsionen eine Konzentration von 30 Gew-% an SDS zur dispersen Phase
eingesetzt und dadurch die kritische Mizellbildungskonzentration (engl. cmc, für SDS:
1,3*10-3 mol dm-3
[149]
) überschritten wurde, können die lamellaren Schichten auf eine
geordnete Anordnung der Tensidmoleküle zurückzuführen sein. In diesem Fall liegen die
Tensidmoleküle in einer verzahnten Anordnung vor (Abb. 4.23.).
Gadoliniumkomplexschicht
Schicht aus Tensid
und Polymer
Gadoliniumkomplexschicht
Abb. 4.23. Modell zur Erklärung des Selbstorganisationsprozesses durch SAXS-Ergebnisse: verzahnte
Formation der Tensidmoleküle.
85
4. Ergebnisse und Diskussion
Die hydrophoben Lanthanidkomplexmoleküle liegen zwischen den lamellaren Schichten vor.
Die
lamellaren
Schichten
entstehen
durch
einen
Selbstorganisationsprozess
der
Tenisidmoleküle mit den Polymermolekülen. Da ein SDS-Molekül eine Größe von ca. 2,5 nm
besitzt (siehe Abb. 4.24.), kann durch den Trocknungsprozess der Probe eine Verzahnung der
Tensidmoleküle erfolgen. Dadurch wäre der erhaltene Abstand von ca. 3,9 nm erklärbar.
O
Na+
O
S
O-
O
l0 = 1,72 nm
a0 = 0,62 nm 2 (0,78 nm)
Abb. 4.24. Aufbau und Längenverhältnisse des Tensides SDS.
Es wird angenommen, dass die Sauerstoffatome der Sulfatgruppe des Tensides und die
Carboxylfunktionen
des
Acrylatmonomers
an
die
freien
Koordinationsstellen
des
Gadoliniumions gebunden werden. Wird die Konzentration an SDS im System und dadurch
die Entfernung zur kritischen Mizellbildungskonzentration herabgesetzt (siehe Kap.4.2.2.), so
kann eine verringerte Ausbildung an lamellaren Schichten beobachtet werden.
O
O
O
S
O
S
O
O
Gd
O
O
O
O
O
C
C
O
RO
O
O
O
O
S
S
O
3
O
O
OR
Gd
O
O
O
3
Abb. 4.25. Mögliches Modell zur Erklärung des Selbstorganisationsprozesses durch SAXS-Ergebnisse.
Magnetische Analysen wurden durchgeführt, um das hohe magnetische Potential des
Gadoliniumkomplexes Gd(tmhd)3 darzustellen.
Um die in der Literatur beschriebene Paramagnetisierung des dreiwertigen Gadoliniumions
für den hier verwendeten Komplex zu bestätigen, wurde zuerst das magnetische Verhalten
unter Variation des Feldes und der Temperatur bestimmt (Abb. 4.26.).
86
4. Ergebnisse und Diskussion
Bei dieser Messung kann aus den verwendeten Parametern (Temperatur und angelegtes Feld)
Longitudionale Magnetisierung (emu)
die Magnetisierung berechnet werden.
-2
4,0x10
-2
3,0x10
-2
2,0x10
-2
1,0x10
0,0
4
-6,0x10
4
-4,0x10
0,0
4
-2,0x10
-2
-1,0x10
4
2,0x10
4
4,0x10
4
6,0x10
Feld (Oe)
-2
-2,0x10
-2
-3,0x10
Abb. 4.26. Magnetisches Verhalten des Komplexes Gd(tmhd)3 in Abhängigkeit vom angelegten Feld.
Durch die Variation des angelegten Feldes wurde ein linearer Kurvenverlauf gefunden. Dieser
Verlauf wird in der Regel für paramagnetische Verbindungen erhalten. Diese Messung zeigte
die hohen Anwendungsmöglichkeiten des Komplexes Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5heptandionat), Gd(tmhd)3, auf Grund seiner paramagnetischen Eigenschaften.
Zur Darstellung der paramagnetischen Eigenschaften des Komplexes wurde die reziproke
paramagnetische Suszeptibilität gegen die Temperatur aufgetragen (Abb. 4.27.).
Die Suszeptibilität (lat. Susceptiblis – Übernahmefähigkeit) ist eine Materialeigenschaft, die
die Fähigkeit der Magnetisierung eines Materials in einem extern angelegten Magnetfeld
wiedergibt. Sie stellt in vielen Fällen eine Proportionalitätskonstante zwischen der
Magnetisierung zur magnetischen Feldstärke dar. Diese Konstante hängt vor allem von der
verwendeten Frequenz des Magnetfeldes ab. Suszeptibilitäten können Werte von -1 bis
unendlich annehmen. Werte im negativen Bereich stehen dabei für eine Magnetisierung
entgegen dem äußeren Magnetfeld. Analog zum magnetischen Feld bezeichnet man den
Zusammenhang zwischen elektrischer Polarisierung und elektrischem Feld als (di-)elektrische
Suszeptibilität. In paramagnetischen Materialien kommt es zur Ausrichtung der atomaren
magnetischen Momente im externen Magnetfeld. Dadurch verstärken diese das Magnetfeld
im Inneren des Materials. Es werden positive Magnetisierungen und somit auch positive
paramagnetische Suszeptibilitäten erhalten.
87
4. Ergebnisse und Diskussion
In Abbildung 4.27. ist nun die temperaturabhängige Auftragung für den Komplex
Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat),
Gd(tmhd)3,
bei
einem
konstant
angelegten Feld (10.000 Oe) dargestellt. Der lineare Kurvenverlauf und Werte von 1/χpara bis
zu 50 weisen dabei auf einen hohen Paramagnetismus hin, d.h. hier gilt das Curiesche Gesetz,
welches die Abhängigkeit der paramagnetischen
Suszeptibilität von der absoluten
Temperatur beschreibt.
Auf Grund der ungepaarten Elektronen des Gadoliniumions richten sich die Teilchen nach
dem äußeren Feld aus. Das gelingt mit höherer Temperatur allerdings nur teilweise. Daher ist
die paramagnetische Suszeptibilität temperaturabhängig, und es gilt das Curie-Gesetz:
χ para =
C
T
(4. 1.)
mit χpara – paramagnetische Suszeptibilität, T –Temperatur und C – Curie-Konstante.
Die Curie-Konstante ist für jeweils einen Stoff konstant und kann durch die Gleichung 3.10.
berechnet werden.
50
40
1/χpara
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
T (K)
Abb. 4.27. Temperaturabhängigkeit von 1/ paramagnetische Suszeptibilität des Komplexes Gd(tmhd)3.
Zur Untersuchung der paramagnetischen Eigenschaften von gadoliniumhaltigen PLMANanopartikeln wurde eine flüssige Dispersion gefriergetrocknet und die paramagnetische
Suszeptibilität gegen die Temperatur aufgetragen (Abb. 4.28.).
88
4. Ergebnisse und Diskussion
1000
800
1/χpara
600
400
200
0
0
50
100
150
200
250
T (K)
Abb. 4.28. Temperaturabhängigkeit von 1/ paramagnetischer Suszeptibilität der Gd(tmhd)3-PLMANanopartikel, Molverhältnis 50:1(gd 9).
Im Vergleich zum unverkapselten Komplex kann ein verändertes paramagnetisches Verhalten
beobachtet werden. Bis zu einer Temperatur von 100 K wird ebenfalls ein linearer Anstieg
gefunden. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur wird statt eines linearen Kurvenverlaufs ein
exponentieller Anstieg, welcher eventuell auf die thermischen Eigenschaften des verwendeten
Polymers zurückzuführen ist, gefunden. Die deutliche Erhöhung der erhaltenen Werte für
1/χpara von 50 für den Komplex auf bis zu 1000 für den verkapselten Komplex zeigen, dass im
Vergleich zum reinen Komplex eine sehr geringe Paramagnetisierung vorliegt. Diese könnte
auf die Strukturierung der Polymerpartikel zurückzuführen sein.
Aus den erhaltenen Werten der magnetischen Messungen unter Variation der Temperatur bei
einem konstanten Magnetfeld (10.000 Oe) kann jetzt das magnetische Moment bestimmt
werden (Abb. 4.29.).
89
4. Ergebnisse und Diskussion
10
Gd(tmhd)3
Gd(tmhd)3-PLMA-Nanopartikel
(Molverhältnis Monomer:Komplex 50:1)
Magnetisches Moment μ (μb)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
50
100
150
200
250
T (K)
Abb. 4.29. Temperaturabhängigkeit des magnetischen Moments μ vom Komplex Gd(tmhd)3 und den
Gd(tmhd)3-PLMA-Partikeln, Molverhältnis 50:1.
Der Komplex Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat), Gd(tmhd)3, besitzt ein
magnetisches Moment von ca. 7,3 μb. Der lineare Kurvenverlauf ist charakteristisch für einen
Paramagneten. Der gemessene Wert liegt nahe dem des berechneten Wertes von 7,94 μb
[43]
.
Durch das Einbringen des Komplexes in PLMA kommt es zu einer Herabsetzung des
magnetischen Moments mit zunehmender Temperatur. Das magnetische Moment liegt bei
einer Temperatur von 2 K für den Gadoliniumkomplex bei 6,9 μb, jedoch für
gadoliniumhaltige Nanopartikel nur bei 5,65 μb. Mit steigender Temperatur erfolgt ein
Kurvenabfall bis auf ein magnetisches Moment von 0 μb. Dies könnte auf die Umhüllung des
Komplexes durch PLMA zurückzuführen sein.
Der Grund für das unterschiedliche magnetische Verhalten des Komplexes in PLMANanopartikeln und dem puren Komplex könnte in einer durch die Strukturierung der
anorganischen Hybridpartikel erfolgten Änderung der Komplexkoordinationsstruktur liegen.
Es ist auch möglich, dass statt intermolekularer Wechselwirkungen zwischen den einzelnen
Gadoliniumzentren der Komplexe intramolekulare Wechselwirkungen zwischen den
Gadoliniumionen und den komplexierten Molekülen (Tensid-, Monomer-; siehe fortführende
Kapitel) vorliegen.
90
4. Ergebnisse und Diskussion
4.2.2. Variation der Lösungszeit des Komplexes in LMA
Durch Variation der Zeit des Lösungsvorgangs des Gadoliniumkomplexes im Monomer soll
dessen Einfluss auf den Organisationsprozess der strukturierten Polymerteilchen untersucht
werden. Dazu wurden unterschiedliche Zeiten der Lösungsperiode, 0,5 h, 1,5 h und 4 h, vor
dem Ultraschall und 0.5 h nach Ultraschall untersucht. Bei einer Lösungszeit vor der
Ultraschallbehandlung wurde der Komplex im Monomer durch Temperaturerhöhung auf 72
°C gelöst, anschließend das Hydrophob Hexadekan zugegeben und diese Mischung zu einer
wässrigen Tensidlösung, welche V59 als Initiator beinhaltete, gegeben. Bei einer Lösungszeit
nach
Ultraschallbehandlung
wurden
alle
Reaktanden
zu
Beginn
des
Prozesses
zusammengegeben und es erfolgte ein „Temperschritt“ nach der Homogenisierung.
Anschließend wurde die radikalische Reaktion bei 72 °C gestartet.
In Tabelle 4.6. sind die Ergebnisse verschiedener Dispersionen in Abhängigkeit von der
Lösungszeit dargestellt.
Tab. 4.6. Variation der Lösungszeit im System LMA:Gd(tmhd)3 mit einem Molverhältnis von 50:1.
Probe
Lösungszeit
DI (nm)
gd 9
0.5 h vor US
253
gd 251
1.5 h vor US
77
gd 252
4.0 h vor US
57
gd 240 0.5 h nach US
140
*bestimmt durch SAXS-Analysen
PDI
(Dv/Dn)
3,6
1,74
1,53
1,83
FG
(%)
11,3
14,0
12,9
13,3
Theo FG
(%)
10,6
9,8
9,9
11,7
Schichtabstand
(nm)*
3,87
3,86
3,87
3,84
Schichtabstand
(nm)**
4
3-4
n.m.
2-4
** bestimmt aus TEM-Aufnahmen, n.m. – nicht möglich
Werden
die
Partikelgrößen
mit
unterschiedlichen
Lösungszeiten
vor
der
Ultraschallbehandlung betrachtet, so kann ein Abfall der Teilchendurchmesser von 253 nm
(0,5 h) auf bis zu 57 nm (4 h) festgestellt werden.
Der Vergleich zwischen Partikelgrößen von Dispersionen mit einer Vorheizzeit von 0,5 h vor
und nach der Ultraschallbehandlung zeigt nur eine leichte Verringerung der Partikelgrößen
von 253 nm (vor) auf 140 nm (nach).
TEM-Aufnahmen wurden anschließend durchgeführt, um den Einfluss der Lösungsperiode
auf den Strukturierungsprozess zu erkennen (Abbildung 4.30.).
91
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
Abb. 4.30. TEM-Aufnahmen von LMA:Gd(tmhd)3 50:1 a) 1.5 h Lösungszeit vor US (gd 251) und b)
0,5 h Temperschritt nach US (gd 240).
Bei einer Lösungsperiode von 0,5 h vor dem Ultraschallprozess werden offene
Teilchenmorpholgien erhalten (siehe Abb. 4.18.). Durch eine Erhöhung der Lösungszeit von
0,5 h auf 1,5 h vor US werden „geschlossene“ Polymerpartikel erhalten, welche nur am
Teilchenrand Strukturierung aufweisen (Abb. 4.30.a). Eine Temperperiode nach dem
Ultraschall weist ebenfalls eine geringe Strukturierung der anorganischen Polymerpartikel am
Partikelrand auf (Abb. 4.30.b). Anhand dieser Aufnahmen kann jetzt auch der Unterschied
hinsichtlich der Teilchengröße erklärt werden. Die offenen Partikelmorphologien bei
Dispersionen einer Periode von 0,5 h vor US resultieren in hohen Teilchengrößen.
Der Abstand der Schichten konnte durch SAXS-Untersuchungen bestimmt werden (Tab.
4.6.). Demnach ist der Abstand unabhängig von der Zeit der Lösungsperiode und es werden
Abstände von 3,9 nm gemessen. Diese stimmen mit aus TEM-Aufnahmen erhaltenen Werten
überein. Im Fall einer Lösungsdauer von 4 h vor dem Ultraschallprozess konnten keine Werte
aus TEM-Aufnahmen bestimmt werden.
Durch TEM- und Röntgenstrukturanalysen konnte gezeigt werden, dass eine Lösungszeit von
30 min vor der Ultraschallbehandlung die Ausbildung der geordneten lamellaren Strukturen
am effektivsten fördert. In den nächsten Teilabschnitten werden deshalb ausschließlich
Dispersionen mit dieser Lösungszeit untersucht.
92
4. Ergebnisse und Diskussion
4.2.3. Variation der Tensidart und –konzentration
Als nächstes soll der Einfluss der Tensidart sowie deren Konzentration auf den
Organisationsprozess analysiert werden. Bei diesen Untersuchungen wurden als Monomer
LMA und als Komplex Gd(tmhd)3 mt einem Monomer/Komplex-Molverhältnis von 50:1
verwendet.
Eingesetzt
wurden
die
anionischen
Teniside
Natriumdodecylsulfat
(SDS)
und
Natriumoctadecylsulfat (SOS) sowie das nichtionische Tensid Lutensol AT50. Die
Konzentrationsvariation erfolgte mit dem Tensid SDS (30 Gew-%, 17 Gew-%, 3 Gew-%, 1,7
Gew-% bezogen auf die disperse Phase).
Tabelle 4.7. zeigt die Abhängigkeit der Teilchengrößen von der Tensidart und der
Tensidkonzentration. Als erstes wurde der Einfluss der Konzentration des anionischen
Tensids SDS untersucht.
Tab. 4.7. Variation der Tensidart und –konzentration im System LMA:Gd(tmhd)3 50:1.
Probe
Tensid
TensidDI
(nm)
konzentration
(Gew-% zur
dispersen
Phase)
gd 9
SDS
30
253
gd 248
SDS
17
90
gd 249
SDS
3
100
gd 250
SDS
1,7
164
gd-sos1
SOS
30
139
gd 198
Lutensol AT50
30
1007
*bestimmt durch SAXS-Analysen, n.m. – nicht möglich
PDI
(DV/Dn)
FG
(%)
Theo
FG (%)
Schichtabstand
(nm)*
Schichtabstand
(nm)**
3,6
1,1
1,1
1,4
2,1
7,2
11,3
15,7
9,3
8,3
11,8
12,2
10,6
16,5
9,3
10,6
10,2
9,4
3,87
n.m.
n.m.
n.m.
4,9
-
4
3,5 - 4
3,5 - 4
3,5 - 4
3,5 - 5
-
** bestimmt aus TEM-Aufnahmen
In Abhängigkeit von der SDS-Konzentration kann mit einer Verringerung der Tensidmenge
eine Abnahme der Partikelgröße von 253 nm (30 Gew-%) auf 90 nm (17 Gew-%) beobachtet
werden. Diese resultiert aus der Morphologieänderung der synthetisierten Polymerteilchen.
Bei einer hohen Konzentration an SDS werden offene Strukturen erhalten, welche in größeren
Partikelgrößen resultieren (siehe Abb. 4.18.). Durch die Verringerung von SDS wird
zunehmend
die
Ausbildung
von
sphärischen
Teilchen
beobachtet.
Bei
einer
Tensidkonzentration von 3 Gew-% bezogen auf die disperse Phase kommt es auf Grund der
zu geringen Stabilisierung der Polymerteilchen zu Aggregationsprozessen und somit zur
erneuten Erhöhung der Teilchengrößen (100 nm).
93
4. Ergebnisse und Diskussion
TEM-Aufnahmen zeigen mit einer zunehmenden Verringerung der Menge an SDS eine
abnehmende Ausbildung von Schichtstrukturen (Abb. 4.31.). Dies ist erneut ein deutlicher
Hinweis, dass das Tensid SDS an dem Strukturierungsprozess maßgeblich beteiligt ist.
a
b
c
Abb. 4.31. TEM-Aufnahmen von LMA:Gd(tmhd)3 50:1: a ) 17 Gew-% SDS (gd 248), b) 3 Gew-% SDS
(gd 249) und c) 1,7 Gew-% SDS (gd 250).
Röntgenanalysen zeigen den Einfluss der SDS-Konzentration auf den Strukturierungsprozess
(Abb. 4.32.).
94
4. Ergebnisse und Diskussion
Intensität (a.u.)
30 Gew-% SDS mit Gd(tmhd)3 (gd 9)
17 Gew-% SDS mit Gd(tmhd)3(gd 248)
3 Gew-% SDS mit Gd(tmhd)3(gd 249)
1,7 Gew-% SDS mit Gd(tmhd)3(gd 250)
30 Gew-% SDS ohne Gd(tmhd)3 (gd 16)
5
10
15
20
25
30
2 Theta (°)
Abb. 4.32. WAXS-Messungen in Abhängigkeit von der SDS-Konzentration.
Durch die Herabsetzung der Tensidkonzentration verschwinden die kristallinen Bereiche bei
2 θ-Werten von 9°, 14° und 18°. Das würde bedeuten, dass die Selbstorganisation zwischen
den SDS-Molekülen und den dreiwertigen Gadoliniumionen kaum stattfindet und es nur in
verringertem Maße zu Ordnungseffekten kommt.
Durch die Erniedrigung der Tensidkonzentration werden die SDS-Moleküle statt zum Aufbau
der lamellaren Schichten zur Stabilisierung der Partikel genutzt. SAXS-Untersuchungen
bestätigen diese Theorie. Bei geringeren SDS-Konzentrationen war es nicht möglich, Reflexe
im SAXS-Diffraktogramm zu erhalten. Aus TEM-Aufnahmen konnte der Abstand der
lamellaren Phasen bestimmt werden. Es wurden Werte im Bereich von 3,5 bis 4 nm für alle
eingesetzten Tensidkonzentrationen gefunden.
Um jetzt den Einfluss der Sulfatgruppe des Tensides SDS näher zu betrachten, wurden
Dispersionen mit dem nichtionischen Tensid (Lutensol AT50) hergestellt (Tabelle 4.5.).
Der Einsatz des nichtionischen Tensides Lutensol AT50 bewirkt eine starke Vergrößerung
des Partikeldurchmessers auf 1 μm. Der starke Größenanstieg ist möglicherweise auf den
nichtionischen Charakter des Lutensol AT50 zurückzuführen. Die Dispersion mit dem Tensid
zeigt keinerlei Strukturierung der Partikel.
Die Gadoliniumkomplexe scheinen vereinzelt, eventuell in aggregierter Form, in einer
polymeren Hülle vorzuliegen (Abb. 4.33.).
95
4. Ergebnisse und Diskussion
Abb. 4.33. TEM-Aufnahmen von LMA:Gd(tmhd)3 50:1: Tensid: Lutensol AT50 (gd 198).
Die vorherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass der Strukturierungsprozess nur unter
Verwendung von SDS erfolgt. Es ist weiterhin interessant, inwieweit die Kettenlänge des
Tensides diesen Prozess beeinflusst. Hierzu wurden Untersuchungen mit dem längerkettigen
Natriumoctadecylsulfat (SOS) durchgeführt (siehe Abb. 4.34.).
O
Na+
H 3C (H 2C)16
CH 2
O
S
O-
O
Abb. 4.34. Strukturformel von Natriumoctadecylsulfat (SOS).
Wie in Tabelle 4.7. dargestellt, werden mit dem Tensid SOS stabile Dispersionen mit
Teilchengrößen von 139 nm gefunden. Diese unterscheiden sich demnach nur geringfügig
von den Partikeln, welche mit SDS hergestellt wurden (253 nm, gd 9). Der Wechsel bewirkt
allerdings eine Änderung hinsichtlich der Partikelmorphologie. Statt zur Ausbildung von
offenen lamellaren Strukturen, welche bei Dispersionen mit SDS gefunden wurden (Abb.
4.18.), kommt es hier zur Entstehung von strukturierten sphärischen Partikeln (Abb. 4.35.).
Im direkten Vergleich beider anionischen Tenside zeigt SDS ein höheres Potential zur
Ausbildung von geordneten Strukturen.
96
4. Ergebnisse und Diskussion
Abb. 4.35. TEM-Aufnahme von LMA:Gd(tmhd)3 50:1: Tensid: SOS (gd-sos 1).
Durch SAXS-Untersuchungen konnte im Vergleich zu Polymerpartikeln, hergestellt mit dem
Tensid SDS, eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den lamellaren Schichten von 3,9
nm auf 4,9 nm beobachtet werden. Die Erhöhung kann durch die längere Seitenkette des
Tensides SOS erklärt werden. In Analogie zum Fall von SDS kommt es zu einer verzahnten
Anordnung der Tensidmoleküle (siehe Abb. 4.24.).
Abschließend kann festgestellt werden, dass der Strukturierungsprozess von der Art des
eingesetzten Tensides und von der Konzentration an SDS abhängt.
Nur der Einsatz von sulfathaltigen anionischen Tensiden (SDS, SOS) in Kombination mit
dem
Acrylmonomer
LMA
bewirkt
die
Ausbildung
von
lamellar
strukturierten
Gadoliniumpolymerpartikeln. Die Abnahme der Konzentration an SDS zeigt ebenfalls einen
Einfluss auf die Partikelstruktur. Mit abnehmender SDS-Menge kommt es zum zunehmenden
Verlust an lamellaren Schichten.
4.2.4. Variation des Molverhältnisses zwischen Monomer und Komplex
Um den Einfluss des Komplexgehaltes auf die Ausbildung der lamellaren Schichten in
Hinblick auf den Abstand zwischen diesen zu untersuchen, wurde das Molverhältnis zwischen
LMA und Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat) von 50:1 bis 2:1 variiert. Bei
allen Dispersionen wurde Gd(tmhd)3 als Komplex und SDS als Tensid (30 Gew-% bezogen
auf die disperse Phase) genutzt.
In Tabelle 4.8. sind die Ergebnisse unter Variation des Molverhältnisses dargestellt.
97
4. Ergebnisse und Diskussion
Tab. 4.8. Variation des Molverhältnisses LMA:Gd(tmhd)3.
Probe
Molverhältnis
LMA:Gd(tmhd)3
DI (nm)
PDI
(DV/Dn)
gd 16
64
gd 9
50:1
253
gd 318
25:1
88
gd 319
15:1
120
gd 320
10:1
150
gd 321
8:1
169
gd 323
6:1
183
gd 325
4:1
221
gd 326
2:1
245
*bestimmt durch SAXS-Analysen, n.b. – nicht bestimmt
1,6
1,6
1,7
2,2
2,4
2,2
2,0
2,3
1,9
FG
(%)
Theo FG
(%)
11,8
11,3
9,7
12,6
8,7
10,3
8,3
9,4
11.7
9,6
10,6
8,6
10,5
8,7
10,9
11,8
15,2
15,7
Schichtabstand
(nm)*
3,87
n.b.
n.b.
n.b.
3,87
n.b.
n.b.
3,99
Schichtabstand
(nm)**
3-4
3-4
3-4
3-4
3-4
3-4
3-4
3-4
** bestimmt aus TEM-Aufnahmen
Wie aus Tabelle 4.8. ersichtlich, nimmt die Partikelgröße mit steigendem Anteil an
Gadoliniumkomplex von 88 nm (25:1, gd 318) auf 245 nm (2:1, gd 326) zu. Die Ausnahme
stellt der Teilchendurchmesser bei einem Molverhältnis von 50:1 dar. Hier werden
Polymerpartikel von 253 nm gefunden. Der Grund liegt vor allem in der unterschiedlichen
Teilchenmorphologie. Bei einem molaren Verhältnis von 50:1 werden offene, strukturierte
Partikelstrukturen erhalten (siehe Abb. 4.18.). Mit abnehmendem Monomeranteil verändert
sich die Morpholgie zu ovalen bis runden partikulären Strukturen (Abb. 4.36.).
Mit zunehmender Komplexkonzentration kommt es zu einer Verringerung der Ausbildung an
lamellaren Schichten.
a
98
b
4. Ergebnisse und Diskussion
c
Abb. 4.36. TEM-Aufnahmen von Proben unterschiedlicher LMA:Gd(tmhd)3-Molverhältnisse: a) 25:1 (gd 318),
b) 8:1 (gd 321) und c) 2:1 (gd 326).
Aus den erhaltenen TEM-Aufnahmen können jetzt Schichtabstände von 3 bis 4 nm bestimmt
werden. Diese Werte korrelieren mit den erhaltenen Daten aus Reflexen von SAXSDiffraktogrammen (3,9 nm). Das bedeutet, dass die Ausbildung der lamellaren Schichten sich
nicht durch die Erhöhung des Komplexanteils ändert. Viel eher kommt es durch den erhöhten
Zusatz an Gadoliniumkomplex zu einer Vergrößerung des Teilchendurchmessers.
Magnetische Untersuchungen wurden durchgeführt, um den Einfluss des Molverhältnisses auf
die paramagnetischen Eigenschaften des Gadoliniumions zu analysieren (Abb. 4.37.).
10
Gd(tmhd)3
Molverhältnis 50:1
Molverhältnis 8:1
Magnetisches Moment μ (μb)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
50
100
150
200
250
300
T (K)
Abb. 4.37. Magnetisches Verhalten des Komplexes Gd(tmhd)3 und des Komplexes eingebracht in LMA unter
Variation des Molverhältnisses LMA:Gd(tmhd)3.
99
4. Ergebnisse und Diskussion
Der paramagnetische Komplex Gd(tmhd)3 besitzt ein magnetisches Moment von ca. 7,3 μb.
Wird der anorganische Komplex unter Ausbildung der Schichtstruktur eingebracht, so kommt
es zu einer Verringerung des magnetischen Moments. Bei einem Molverhältnis von 50:1 wird
mit steigender Temperatur ein Abfall des magnetischen Moments bis auf 1 μb beobachtet. Ein
Grund könnte eine Koordinationsänderung des Komplexes in Abhängigkeit von der
Partikelstruktur sein. Wird die Konzentration an Gadoliniumkomplex auf ein Molverhältnis
von 8:1 erhöht, so kommt es ebenfalls zu einer Verringerung der magnetischen Momente mit
der Temperatur. Mit zunehmender Temperatur verhält sich die Kurve in Analogie zum reinen
Komplex, lediglich eine Verschiebung von 7,3 μb auf 5 - 6 μb erfolgte. Auf Grund der
erhöhten Menge an Gadoliniumionen ist es denkbar, dass eine Strukturänderung des
Komplexes, wie im Fall von 50:1 beschrieben, nicht zur Änderung der magnetischen
Eigenschaften führte. Es ist möglich, dass die Umhüllung des Komplexes mit dem Polymer
diese Verschiebung bewirkte.
4.2.5. Untersuchung des Monomereinflusses
In diesem Teilabschnitt werden verschiedene Monomere eingesetzt, um deren Einfluss auf die
Strukturierung zu untersuchen. Hierzu wurden neben dem bisher betrachteten Monomer LMA
Methacrylate mit kürzeren Seitenketten (BMA, MMA), Acrylate mit unterschiedlichen
Seitenketten (LA, BA, MA) sowie Acrylnitril und das Vinylmonomer Styrol verwendet.
Styrol wurde verwendet, um den Einfluss der aromatischen Struktur und der in der Struktur
fehlenden Carboxylfunktion zu untersuchen. Acrylnitril wurde auf Grund seiner vielfältigen
Verwendungsmöglichkeiten als Polymer, wie beispielsweise in Fasern, eingesetzt. Auf Grund
starker molekularer Wechselwirkungen ist das Polymer PAN nicht im Monomer AN löslich.
Dadurch
ist
es
schwierig,
eine
Homopolymerisation
von
Acrylnitril
mittels
Emulsionspolymersation durchzuführen. Polymerpartikel, die einmal nukleiert wurden,
können nicht durch Monomerdiffusion zu monomergequollenen Partikel anwachsen. Auf
Grund dessen wird in der Literatur meist die Synthese von Copolymerpartikeln, z.B. mit
Styrol, Acrylaten oder Butadien/Styrol, beschrieben
[150]
. In unserem Fall haben wir uns für
eine Kombination aus Acrylnitril/Butylacrylat im Verhältnis von 80:20 entschieden.
Bei allen Dispersionen wurde Gd(tmhd)3 als Komplex, SDS als Tensid (30 Gew-% bezogen
auf die disperse Phase) und ein Monomer/Komplex-Molverhältnis von 50:1 verwendet.
In Tabelle 4.9. sind die Ergebnisse von Dispersionen unterschiedlicher Monomere dargestellt.
100
4. Ergebnisse und Diskussion
Tab. 4.9. Variation des Monomers im System Monomer:Gd(tmhd)3 50:1.
Probe
DI (nm)
Monomer
PDI
(DV/Dn)
gd 9
LMA
253
3,6
gd 4
BMA
96
1,2
gd 11
MMA
69
2,1
gd 135
LA
153
1,5
gd 26
BA
70
2,1
gd 144
MA
85
2,2
gd 282
Styrol
72
1,6
gd 399
AN/BA (80:20)
106
1,5
*bestimmt durch SAXS-Analysen, n.m. – nicht möglich
FG
(%)
Theo FG
(%)
11,3
12,2
12,4
12,8
12,8
12,1
14,1
11,9
10,6
10,8
12,0
10,1
14,0
11,0
9,3
11,0
Schichtabstand
(nm)*
3,87
3,9
3,86
3,85
3,75
3,2
n.m.
-
Schichtabstand
(nm)**
4
3-4
3-4
3-4
3-4
3-4
2-3
-
** bestimmt aus TEM-Aufnahmen
Bei
Betrachten
der
Methacrylatserie
kann
mit
abnehmender
Seitenkettenlänge
(LMA>BMA>MMA) eine Abnahme der Partikeldurchmesser von 253 nm (LMA) auf 69 nm
(MMA) beobachtet werden. Acrylatmonomere zeigen diesen Verlauf nicht.
Es wird zwar eine Abnahme der Teilchengröße von 64 nm (LA) auf 49 nm (BA) erhalten,
aber das kurzkettige MA zeigt mit 73 nm die größten Partikelgrößen dieser Reihe. Es konnte
festgestellt werden, dass Dispersionen mit den Acrylatmonomeren kleinere Teilchengrößen
aufweisen als Dispersionen mit Methylacrylatmonomeren. Durch den Wechsel zu den
Monomeren Styrol und Acrylnitril werden Teilchendurchmesser von 72 nm und 106 nm
erhalten.
TEM-Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Abhängigkeit der Teilchenmorpholgie
vom Monomer zu untersuchen (Abb.4.38.).
a
b
101
4. Ergebnisse und Diskussion
c
d
e
f
102
4. Ergebnisse und Diskussion
h
g
Abb. 4.38. TEM-Aufnahmen unter Variation der Monomerkomponente, Molverhältnis Monomer:Gd(tmhd)3
50:1: a) Monomer: BMA (gd 4), b) Monomer: MMA (gd 11), c) Monomer: LA (gd 135),
d) Monomer: BA (gd 26), e) Monomer: MA (gd 144), f) und g) Monomer: Styrol (gd 282) und
h) Monomer: AN/BA 80:20 (gd 399).
Durch die Verwendung von Methyl- bzw. Acrylmonomeren kann die Ausbildung von
lamellaren Schichten beobachtet werden. Bereits im Teilkapitel 4.2.1. wurde gezeigt, dass mit
dem Monomer LMA offene lamellare Strukturen gefunden werden (siehe Abb. 4.18.). Beim
Einsatz kürzerkettiger Methylacrylate, wie z.B. BMA und MMA, werden geschlossene
Partikelstrukturen, welche mit BMA oval und mit MMA sphärisch sind, erhalten.
Im Fall von BMA wird lediglich eine Strukturierung an den Randbereichen beobachtet (Abb.
4.38.a), während unter Einsatz des Monomers MMA die Ausbildung der Schichtstruktur bis
in den Partikelkern begünstigt wird (Abb. 4.38.b). Dispersionen, hergestellt mit Acrylaten,
weisen in allen Fällen einen Strukturierungsprozess nur in den äußeren Partikelbereichen auf
(Abb. 4.38.c, d, e). Gadoliniumhaltige PBA- und PMA-Nanopartikel sind dabei sphärischen
Charakters, während PLA-Partikel eher offene Strukturen zeigen. Im Gegensatz dazu kann bei
anderen Monomertypen, wie z.B. Styrol und Acrylnitril, eine deutliche Änderung der
Teilchenmophologie beobachtet werden. TEM-Aufnahmen von Polystyroldispersionen zeigen
zwei unterschiedliche Partikelspezies (Abb. 4.38.f, g). Neben runden Polystyrolpartikeln
werden auch strukturierte Partikel gefunden. Polyacrylnitrilpartikel zeigen hingegen keine
Strukturierung. Somit besteht die Annahme, dass die Komplexmoleküle verkapselt in
deformierten runden Strukturen vorliegen (Abb. 4.38.h).
103
4. Ergebnisse und Diskussion
Auf Grund der Ergebnisse kann festgestellt werden, dass die Ausbildung der Lamellen nicht
nur von der Zeit, in welcher der Komplex im Monomer gelöst wird (siehe Kapitel 4.2.2.), von
der SDS-Konzentration und der Tensidart (siehe Kapitel 4.2.3.), sondern auch vom
verwendeten Monomer abhängt.
Aus den aufgenommenen TEM-Bildern kann nun der Abstand zwischen den einzelnen
lamellaren Schichten bestimmt werden. Dieser liegt im Fall der eingesetzten acrylathaltigen
Monomeren in einem Bereich von 3 bis 4 nm. Dieser Bereich konnte durch Analysen mittels
Kleinwinkelstreuung bestätigt werden. Der hydrophobe Lanthanidkomplex liegt zwischen den
lamellaren Schichten vor, welche durch die Selbstorganisation der Tensidmoleküle und der
Polymermoleküle entstanden sind. Die Kettenlänge, sowie die im Fall von Methacrylaten
zusätzliche Methylgruppe, zeigen keinen Effekt auf den Schichtabstand. Unter Verwendung
von Styrol als Monomer, kann ein geringer Einfluss auf den Abstand zwischen den Schichten
erkannt werden. Aus TEM-Aufnahmen ist es möglich, Abstände zwischen 2 und 3 nm zu
bestimmen. Die Verringerung könnte bedeuten, dass das Polymer nur zu geringen Anteilen an
dem Strukturierungsprozess beteiligt ist und der Großteil in separaten sphärischen
Polystyrolpartikeln vorliegt.
Um das paramagnetische Verhalten in Abhängigkeit von der Monomerkomponente zu
untersuchen, wurden SQUID-Messungen durchgeführt.
Abbildung 4.39. zeigt die temperaturabhängige Auftragung gadoliniumhaltiger Nanopartikel
mit unterschiedlichen Monomeren (Styrol, Acrylnitril/BA) bei einem konstant angelegten
Feld (10.000 Oe).
Wie bereits in Kapitel 4.2.1. dargestellt, weist der reine Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl3,5-heptandionat)-Komplex, Gd(tmhd)3, eine reziproke paramagnetische Suszeptibilität von
bis zu 50 auf. Im Fall von Gd(tmhd)3-PLMA-Nanopartikeln wird ein Anstieg von 1/χpara auf
einen Wert bis zu 1000 gefunden (siehe Abb. 4.28.). Die Erhöhung der Werte und die damit
verbundene Herabsetzung der Paramagnetisierung ist auf die Strukturierung der
Polymerpartikel zurückzuführen. Unter Verwendung des Monomers Styrol werden reziproke
paramagnetische Suszeptibilitäten von bis zu 275 gefunden (Abb. 4.39.a). Die Abnahme der
Intensität kann auf die unterschiedlichen Partikelmorphologien zurückgeführt werden (siehe
Abb. 4.38. f, g). Es werden nur vereinzelt strukturierte anorganische Polymerpartikel
gefunden. Der Hauptteil der entstandenen Partikelstrukturen ist sphärischer Natur, welche in
der Regel für Polystyrolpartikel ohne einen anorganischen Zusatz gefunden werden.
104
4. Ergebnisse und Diskussion
Wird Acrylnitril, in Kombination mit Butylacrylat, eingesetzt, kommt es zu keiner
Strukturierung der Nanopartikel (siehe Abb. 4.38. h). Hier werden deformierte runde
Strukturen erhalten. Magnetische Untersuchungen ergaben in diesem Fall paramagnetische
Suszeptibilitäten bis zu einem Maximalwert von 70 (Abb. 4.39.b). Dieser Wert ist ähnlich wie
dem vom reinen Gadoliniumkomplex mit 50.
300
70
250
60
50
1/χpara
1/χpara
200
150
100
40
30
20
50
10
0
0
0
50
100
150
200
250
0
300
50
150
200
250
300
T (K)
T (K)
a)
100
b)
Abb. 4.39. Temperaturabhängigkeit von 1/paramagnetische Suszeptibilität von getrockneten Dispersionen;
Monomer:Gd(tmhd)3, Molverhältnis 50:1: a) Monomer: Styrol und b) Monomer:
Acrylnitril/Butylacrylat 80:20.
An Hand dieser drei unterschiedlichen Ergebnisse mit drei verschiedenen Monomeren im
Vergleich zum reinen Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat), Gd(tmhd)3, wirkt
sich der Strukturierungsprozess auf die magnetischen Eigenschaften des Materials aus. Die
Strukturierung der Polymerteilchen nimmt in der Reihenfolge PLMA>PS>PAN/PBA ab.
In der gleichen Reihenfolge nehmen auch die paramagnetische Suszeptibilität und damit die
Magnetisierung ab. Das würde bedeuten, dass auf Grund der Entstehung der lamellaren
Schichten es parallel durch die Wechselwirkungen zwischen Tensid, Komplex und Monomer
zu einer Verringerung der magnetischen Eigenschaften kommt.
Aus den Daten von SQUID-Untersuchungen kann jetzt unter Variation der Temperatur das
magnetische Moment bestimmt werden (Magnetfeld konstant bei 10.000 Oe) (Abb. 4.40.).
105
4. Ergebnisse und Diskussion
9
Gd(tmhd)3
BMA:Gd(tmhd)3 50:1
MMA:Gd(tmhd)3 50:1
Magnetisches Moment μ (μb)
8
7
6
5
4
3
0
50
100
150
200
250
T (K)
Abb. 4.40. Temperaturabhängigkeit des magnetischen Moments μ vom Komplex Gd(tmhd)3 und der
PBMA- Gd(tmhd)3- und PMMA- Gd(tmhd)3- Partikel, Molverhältnis 50:1.
Wie bereits in Kapitel 4.2.1. besprochen, weist der unverkapselte Gadoliniumtris(2,2,6,6tetramethyl-3,5-heptandionat)-Komplex ein magnetisches Moment von ca. 7,3 μb auf. PLMAPartikel zeigen mit steigender Temperatur einen Kurvenabfall bis auf ein magnetisches
Moment von 1 μb (siehe Abb. 4.29.). Hingegen wird bei den Monomeren BMA und MMA in
Analogie zum Gadoliniumkomplex ein linearer Kurvenverlauf beobachtet. Für BMA wird ein
magnetisches Moment von ca. 6 μb und für MMA von ca. 3,5 μb erhalten. Ein Grund könnte
die unterschiedliche Schichtenausbildung sein. Während gadoliniumhaltige PBMA-Partikel
lediglich am Partikelrand Strukturierung aufweisen, können unter Verwendung von MMA
Schichten bis in den Kern beobachtet werden.
In Abbildung 4.41. ist das magnetische Moment in Abhängigkeit von der Temperatur für die
Monomere Acrylnitril (in Mischung mit Butylacrylat) und Styrol dargestellt. Das magnetische
Moment nimmt von 7,3 μb (Gadoliniumkomplex) auf 5,9 μb (Acrylnitril) und 2,9 μb (Styrol)
ab. Die Herabsetzung hängt im Fall von Acrylnitril, auf Grund fehlender Strukturierung,
lediglich von der Verkapselung des Gadoliniumkomplexes ab. Im Fall von Styrol erfolgt ein
stärkerer Abfall durch zusätzliche Strukturierungsvorgänge.
106
4. Ergebnisse und Diskussion
10
Gd(tmhd)3
S tyrol:Gd(tmhd)3 50:1
AN/BA:Gd(tmhd)3 50:1
Magnetisches Moment μ (μb)
9
8
7
6
5
4
3
2
0
50
100
150
200
250
300
T (K)
Abb. 4.41. Temperaturabhängigkeit des magnetischen Moments μ vom Komplex Gd(tmhd)3 und der
PS- Gd(tmhd)3- und PAN/PBA- Gd(tmhd)3- Partikel, Molverhältnis 50:1.
4.2.6. Variation Lanthanidion
Um den Einfluss des verwendeten Lanthanidions auf den Strukturierungsprozess der
Dispersionen zu untersuchen, wurden nun Sm-, Eu-, Dy-, Ho- und Yb-haltige
Miniemulsionen hergestellt. Dazu wurde der kommerziell erhältliche Lanthanidkomplex
X(tmhd)3 verwendet. Es wurde ein Molverhältnis von 50:1 zwischen Monomer, LMA, und
Komplex gewählt.
Der Wechsel von Gadolinium zu anderen Lanthanidionen führt zu einer Änderung
hinsichtlich der Teilchengrößen und Partikelmorpholgien (Tab. 4.10., Abb. 4.42.).
Tab. 4.10. Variation des Metallzentrums im System LMA:X(tmhd)3 50:1.
Probe
Metallzentrum
DI
(nm)
sm 31
Sm
122
eu 60
Eu
136
gd 9
Gd
253
dy1
Dy
139
ho 47
Ho
134
yb 13
Yb
122
*bestimmt durch SAXS-Analysen
PDI
(DV/Dn)
1,4
1,5
3,6
2,3
1,4
1,3
FG
(%)
12,9
12,7
11,3
6,7
13,3
13,3
Theo FG
(%)
10,0
10,0
10,6
10,1
10,1
10,1
Schichtabstand
(nm)*
3,85
3,85
3,87
3,2
3,85
3,87
Schichtabstand
(nm)**
3-4
3-4
4
3-4
3-4
3-4
** bestimmt aus TEM-Aufnahmen
107
4. Ergebnisse und Diskussion
Die Teilchengrößen liegen in einem Bereich von 122 nm (Sm, Yb) bis 139 nm (Dy). Die
Partikel weisen damit kleinere Durchmesser als gadoliniumhaltige PLMA-Nanopartikel auf.
Der Grund liegt vor allem in der Partikelmorphologie. Während unter Verwendung des
Komplexes Gd(tmhd)3 mit dem Monomer LMA offene Strukturen erhalten werden (siehe
Abb. 4.18.), bewirkt der Wechsel des Lanthanidions die Ausbildung von sphärischen
Morphologien (Abb. 4.42.). Dispersionen mit Eu und Sm weisen geschlossene runde bis ovale
Strukturen auf (Abb. 4.42.b, a). Diese besitzen nur am Partikelrand geordnete Schichten. Das
würde bedeuten, dass der Großteil an eingesetztem Lanthanidkomplex zwischen den
lamellaren Schichten und das Polymer im Partikelinneren vorliegen. Mit den Lanthanidionen
Holmium, Ybtterbium und Dysprosium werden höhergeordnete Strukturen gefunden (Abb.
4.42.d, e, c). Die Bildung der lamellaren Schichten erfolgt bis in den Partikelkern, wobei die
Schichten dabei meist ungeordnet im Kerninneren angeordnet sind.
a
108
b
4. Ergebnisse und Diskussion
c
d
e
Abb. 4.42. TEM-Aufnahmen unter Variation des Lanthanidions; LMA:X(tmhd)3 50:1 mit a) X = Sm (sm 31),
b) X = Eu (eu 60), c) X = Dy (dy 1), d) X = Ho (ho 47) und e) X = Yb (yb 13).
Aus den erhaltenen elektronenmikroskopischen Aufnahmen können für alle eingesetzten
Lanthanidkomplexe Schichtabstände zwischen 3 und 4 nm bestimmt werden. SAXSUntersuchungen bestätigen diese mit Abständen von 3,2 bis 3,9 nm. Ebenfalls wie für
gadoliniumhaltige PLMA-Partikel sind die lamellaren Schichten auf eine verzahnte
Anordnung der Tensidmoleküle zurückzuführen. Die unterschiedlichen Größen der
Lanthanidionen spielen demnach für den Strukturierungsprozess keine Rolle.
In Abbildung 4.43. sind WAXS-Aufnahmen von lanthanidhaltigen Dispersionen im Vergleich
zu einer LMA-Dispersion ohne Zusatz eines Lanthanidkomplexes dargestellt.
109
4. Ergebnisse und Diskussion
Intensität (a.u.)
ohne Lanthanidkomplex
X = Yb
X = Ho
X = Dy
X = Gd
X = Eu
X = Sm
5
10
15
20
25
30
2 Theta (°)
Abb. 4.43. WAXS-Diffraktogramme von LMA:X(tmhd)3, Molverhältnis 50:1, unter Variation des
Lanthanidions.
Wie bereits in Kapitel 4.2.1. diskutiert, wird angenommen, dass die markierten
Reflexbereiche (bei 2θ = 9°, 14°, 18°) möglichen Organisationsvorgängen zwischen SDS und
dem Lanhanidkomplex zugeordnet werden können. Bei Dispersionen mit den Lanthanidionen
Europium und Samarium wird die Ausbildung dieser Reflexbereiche auf Grund der geringen
Ausbildung von lamellaren Schichten in den Polymerpartikeln kaum beobachtet. Holmiumund dysprosiumhaltige Polymerpartikeln zeigen ähnlich wie Gadolinium eine höhere
Ausbildung an lamellaren Schichten. Die für die Strukturierung zwischen SDS und Komplex
charakteristischen Bereiche sind hier stark ausgebildet. Yb3+-PLMA-Partikel weisen, trotz
nachgewiesener Strukturierung mittels TEM, nur sehr schwach ausgebildete Reflexe auf. Ein
Grund hierfür könnte die Überlagerung von einzelnen Schichten und eine dadurch erfolgte
Auslöschung der Reflexe sein.
Neben
dem
bisher
untersuchten
Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat)-
Komplex, Gd(tmhd)3, zeigen auch die tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat)-Komplexe
der dreiwertigen Lanthanidionen Holmium und Dysprosium paramagnetische Eigenschaften,
welche mittels SQUID gemessen wurden.
In Analogie zum Lanthanidion Gadolinium kann für die Komplexe mit den Lanthanidionen
Holmium und Dysprosium das Curie Gesetz beschrieben werden (Abb. 4.44.).
110
4. Ergebnisse und Diskussion
60
55
50
45
40
50
45
40
35
35
30
1/χpara
1/χpara
Dy(tmhd)3
Dy(tmhd)3-PLMA-Nanopartikel
(Molverhältnis Monomer:Komplex 50:1)
55
Ho(tmhd)3
Ho(tmhd)3-PLMA-Nanopartikel
(Molverhältnis Monomer:Komplex 50:1)
25
20
30
25
20
15
15
10
10
5
5
0
0
0
50
100
150
200
250
300
0
50
100
T (K)
150
200
250
300
T (K)
a)
b)
Abb. 4.44. Temperaturabhängigkeit von 1/χpara (paramagnetischer Suszeptibilität) des Komplexes: a) Ho(tmhd)3
und b) Dy(tmhd)3 und des jeweiligen verkapselten Komplexes in LMA; Molverhältnis 50:1.
Im Fall des Komplexes Ho(tmhd)3 nimmt der reziproke Wert der paramagnetischen
Suszeptibilität
(1/χpara)
sowohl
für
den
Komplex
als
auch
für
holmiumhaltige
Polymerpartikeln linear mit der Temperatur zu (Abb. 4.44.a). Durch das Einbringen des
Komplexes in eine Polymermatrix kommt es zu einer Erhöhung der erhaltenen Werte für
1/χpara auf 55. Das würde bedeuten, dass die Paramagnetisierung des Holmiumkomplexes auf
Grund der PLMA-Hülle sinkt.
Abbildung 4.44.b zeigt die Situation mit einem Dysprosium-haltigen System. Das lineare
Anwachsen von 1/χpara für den Komplex Dy(tmhd)3 bestätigt die Abhängigkeit der
Suszeptibilität von der Temperatur und somit das Curie-Gesetze. Wird der Komplex in
Polymerpartikel eingebaut, so wird ebenfalls ein linearer Anstieg mit steigender Temperatur
beobachtet. Die erhaltenen Werte für 1/χpara steigen durch die Polymermatrix von 20 auf 60.
Das Einbringen des Komplexes in der Dispersion erniedrigt die paramagnetischen
Eigenschaften des Komplexes.
Die Auftragung des magnetischen Moments gegen die Temperatur gibt nun genaue
Aufschlüsse über das magnetische Verhalten (Abb. 4.45.).
111
4. Ergebnisse und Diskussion
12
12
Magnetisches Moment μ (μb)
11
10
9
8
7
Dy(tmhd)3
Dy(tmhd)3-PLMA-Nanopartikel
(Molverhältnis Monomer:Komplex 50:1)
11
Magnetisches Moment μ (μb)
Ho(tmhd)3
Ho(tmhd)3-PLMA-Nanopartikel
(Molverhältnis Monomer:Komplex 50:1)
6
10
9
8
7
6
0
50
100
150
200
250
300
0
50
100
150
T (K)
200
250
300
T (K)
a)
b)
Abb. 4.45. Magnetisches Verhalten des Komplexes: a) Ho(tmhd)3 und b) Dy(tmhd)3 und des jeweiligen
verkapselten Komplexes in LMA.
Der Ho(tmhd)3-Komplex besitzt ein magnetisches Moment von ca. 10,5 μb, welcher mit der
Literatur übereinstimmt (10,6 μb
[43]
, siehe Abb. 4.44.a). Die Dispersion, in welcher der
Komplex in PLMA-Nanopartikeln vorliegt, weist ein magnetisches Moment von 7 - 8 μb auf.
Der Kurvenverlauf nimmt dabei nicht wie im Fall von Gadolinium exponentiell bis auf 1 μb
ab, sondern zeigt einen linearen Verlauf lediglich zu geringeren magnetischen Momenten hin
verschoben. Die Verringerung der paramagnetischen Eigenschaften des Komplexes hängt
demnach von der Umhüllung durch das Polymer ab.
Wie in Abbildung 4.45.b ersichtlich, weist der Dysprosiumkomplex ein magnetisches
Moment von 10 μb (10,65 μb
[43]
) auf. Durch die Verkapselung nimmt die Anzahl an
ungepaarten Elektronen des Dysprosium(ΙΙΙ)- ions mit steigender Temperatur von 10,7 μb bis
6,6 μb ab. In Analogie zu Gadolinium kann die Änderung des magnetischen Verhaltens auf
eine
Koordinationsänderung
des
Komplexes
auf
Grund
der
Strukturierung
der
Polymerpartikel oder auf intramolekulare Wechselwirkungen zwischen dem Metallzentrum
und den komplexierten Molekülen zurückzuführen sein.
112
4. Ergebnisse und Diskussion
4.2.7. Variation des Liganden
Um den Einfluss von verschiedenen Parametern auf den Strukturierungsprozess weitergehend
zu untersuchen, wurde im Fall vom Lanthanidion Gadolinium der Komplexligand variiert.
Als Liganden wurden 1,1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentadion (fod), Dibenzylmethan (dbm), 1Phenyl-1,3-butandion (pbd) und 2-(Methacryloyloxy)ethyl-acetoacetat (aema) verwendet. Die
Komplexierung mit Gd3+ wird im Kapitel 7 detailiert beschrieben.
Die Dispersionen wurden unter Verwendung des Monomers LMA, des Tensides SDS (30
Gew-% zum Monomer) und mit einem Molverhältnis von 50:1 hergestellt.
In Kooperation mit Prof. Albrecht der RWTH Aachen wurde auch der Einsatz von helikalen
Bis(β-diketon)-Gadolinium- und Europiumkomplexen untersucht [151].
Zuerst wurde die Variation der Liganden bei der Komplexierung mit Gadolinium betrachtet
(Tab. 4.11.).
Tab. 4.11. Variation des Liganden im System LMA:Gd(X)3 50:1.
Probe
Ligand
DI (nm)
Gd 9
Gd-fod 1
Gd-dbm 1
Gd-pbd 1
Gd-aema 11
tmhd
fod
dbm
pbd
aema
253
119
97
109
102
PDI
(DV/Dn)
3,6
1,6
1,6
1,8
1,7
FG (%)
11,3
12,9
15,2
13,9
11,4
Theo FG
(%)
10,6
10,1
10,1
10,0
10,1
Durch den Wechsel des Liganden von Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat) [tmhd] zu
Tris(1,1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentadion) [fod], Tris(dibenzylmethan) [dbm], Tris(1-Phenyl1,3-butandion) [pbd] und Tris(2-(Methacryloyloxy)ethyl-acetoacetat) [aema] konnte eine
Verringerung der Partikeldurchmesser von 253 nm (tmhd) auf bis zu 97 nm (dbm) beobachtet
werden.
TEM-Untersuchungen zeigen deutliche Unterschiede zum bisher verwendeten Komplex
tmhd. Exemplarisch hierfür ist eine TEM-Aufnahme einer Probe mit dem Liganden dbm
dargestellt (Abb. 4.46.).
113
4. Ergebnisse und Diskussion
Abb. 4.46. TEM-Aufnahme von LMA:Gd(dbm)3 50:1 (gd-dbm 1).
Im Gegensatz zu tmhd erfolgt bei den hier eingesetzten Liganden keine Strukturierung (siehe
Abb. 4.18.). Diese beruht auf sterischen Hinderungen, da es sich in den meisten Fällen um
eine Verlängerung der Seitenkette oder der Verwendung von Phenylringen handelt. Dadurch
ist
ebenfalls
die
Anlagerung
von
Monomer-
und
Tensidmolekülen
an
den
Gadoliniumkomplex gehemmt.
Es konnte gezeigt werden, dass durch den Wechsel des Liganden eine Verkapselung von
lanthanidhaltigen Verbindungen in Polylaurylmethacrylat möglich ist.
Das Ziel der Kooperation mit Prof. Albrecht der RWTH Aachen bestand vorwiegend in der
Untersuchung der Fluoreszenzeigenschaften von europiumhaltigen Nanopartikeln. In Aachen
wurden so die Europium- und Gadoliniumkomplexe mit Bis(β-diketon)-Liganden
synthetisiert, welche nun in Polymerpartikel eingebaut wurden. Auf Grund der geringen
Komplexmengen wurden hier statt Molverhältnissen lediglich Gewichtsverhältnisse
untersucht.
114
4. Ergebnisse und Diskussion
X
O
X
O
O
O
O
O
Br
Br
3
X - Eu, Gd
Abb. 4.47. Strukturformel des eingesetzten helikalen Bis(β-diketon)-Komplexes.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4.12. dargestellt.
Tab. 4.12. Ergebnisse von Dispersionen mit den Bis(β-Diketon)-Komplexen.
Probe
Aa 16
Aa 8
Aa 5
Aa 10
Aa 11
Aa 6
Aa 13
Aa 14
Aa 15
Zusammensetzung
(Gew-%)
Styrol
Styrol:Eu(Aa) 99:1
Styrol:Eu(Aa) 98:2
Styrol:Eu(Aa) 95:5
Styrol:Eu(Aa) 90:10
Styrol:Eu(Aa) 80:20
Styrol:Eu(Aa) 70:30
Styrol:Gd(Aa) 98:2
Styrol:Gd(Aa) 90:10
DI (nm)
60
59
78
68
54
93
68
60
61
PDI
(DV/Dn)
1,2
1,2
1,5
1,8
1,5
1,8
1,6
1,2
2,1
FG (%)
13,5
14,3
17,2
13,5
13,8
15,1
10,6
12,5
13,6
Theo FG
(%)
10,8
10,8
10,8
10,8
10,8
10,8
10,8
10,8
10,8
Unter Verwendung von Methylacrylaten konnten keine stabilen Dispersionen hergestellt
werden. Vermutlich erschweren die in der Komplexstruktur enthaltenen Phenylringe durch
sterische Effekte die Anlagerung der Monomermoleküle. Deshalb wurde in diesem Abschnitt
das Monomer Styrol verwendet.
Hier kommt es über den aromatischen Ring der Phenylgruppe des Komplexes mit dem
Ringsystem des Polystyrols zu Wechselwirkungen. Um den Einbau der Komplexe nun
studieren zu können, wurde als erstes eine Referenzprobe einer Polystyroldispersion
synthetisiert. Dabei zeigen Polystyrolnanopartikel einen Durchmesser von 60 nm. Der Einbau
des Europiumkomplexes bewirkt einen leichten Anstieg der Größen auf bis zu 93 nm. Die
Verwendung eines analogen Gadoliniumkomplexes führt zu keiner signifikanten Änderung
der Teilchengrößen. Die Partikel besitzen ähnlich wie Polystyrolpartikel Größen um 60 nm.
TEM-Analysen wurden durchgeführt, um den Einfluss des Komplexes auf die
Teilchenmorphologie zu untersuchen (Abb. 4.48.).
115
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
c
d
Abb. 4.48. TEM-Aufnahmen von ausgewählten Proben: a) PS-Partikel (Aa 16), b) Styrol:Eu(Aa) 98:2 (Aa 5),
c) Styrol:Eu(Aa) 80:20 (Aa 6) und d) Styrol:Gd(Aa) 90:10 (Aa 15).
Durch das Einbringen des helikalen Europiumkomplexes erfolgt eine Deformierung der
sphärischen
Polystyrolpartikel
(siehe
Abb.
4.48.a,
b,
c).
Wird
der
analoge
Gadoliniumkomplex verwendet, kommt es ebenfalls zur Ausbildung von deformierten
Teilchenstrukturen (Abb. 4.48.d).
Erste Fluoreszenzanalysen wurden mit den Proben Eu-Aa 5 und Eu-Aa 6 an der RWTH
Aachen
durchgeführt.
Es
wurden
sowohl
Anregungs
Emmissionsspektren aufgenommen (Abb. 4.49. und 4.50.).
116
(Excitation)-
als
auch
4. Ergebnisse und Diskussion
Abb. 4.49. Fluoreszenzspektren von Styrol:Eu(Aa) 98:2 (Aa 5).
Abb. 4.50. Fluoreszenzspektren von Styrol:Eu(Aa) 80:20 (Aa 6).
Zur Anregung wurden die erhaltenen Signale aus den Anregungsspektren im Bereich von 250
nm verwendet. Hinsichtlich der Emission können Unterschiede zwischen beiden Proben
gesehen werden. Bei einem geringen Anteil an Europiumkomplex (Eu-Aa5) werden zwei
Signalbereiche bei ca. 620 und ca. 725 nm erhalten (Abb. 4.49.). Beide Signale zeigen eine
ähnliche Intensität. Mit Erhöhung des Anteils an Europiumkomplex (Eu-Aa6) kommt es zu
einer Veränderung des Gleichgewichts zwischen beiden Signalen. Die Intensität des Signals
bei 620 nm steigt unter gleichzeitiger Abnahme der Signalintensität bei 725 nm. Die
Signalbereiche sind dabei auf den eigesetzten Europiumkomplex sowie auf das Polymer
Polystyrol zurückzuführen.
117
4. Ergebnisse und Diskussion
Über den aromatischen Ring der Phenylgruppe des Komplexes kommt es zu
Wechselwirkungen mit dem Ringsystem des Polystyrols, welche in einer Erhöhung der
Fluoreszenzintensität im Vergleich zum reinen Europiumkomplex resultieren.
4.2.8. Funktionalisierung der Partikeloberfläche
Funktionalisierte Nanopartikel sind vor allem für die biologische sowie medizinische
Anwendung interessant. An den funktionellen Gruppen können jetzt Kopplungsreaktionen mit
Antikörpern und Proteinen etc. durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, den Transport
von Nanopartikeln in biologischen Systemen gezielt zu steuern. In diese Nanopartikel können
aktive Materialien (Wirkstoffe, Kontrastmittel) eingekapselt werden, welche gezielt zum
Wirkstoffort gelangen, dort detektiert werden und eventuell vorhandene Komponente selektiv
freisetzen.
COOCOO-
-
OOC
-
OOC
COOCOO-
Kopplung von Biomolekülen
(z.B. Proteine, Antikörper)
Abb. 4.51. Schematische Darstellung der Kopplung von Biomolekülen an carboxylfunktionalisierte
Nanopartikel.
In diesem Teilkapitel wird nun die Herstellung von carboxylfunktionalisierten Nanopartikeln,
die als Modellsystem zur späteren Kopplung mit biologischen Molekülen dienen, unter
Verwendung des direkten Miniemulsionsprozess beschrieben.
Bereits in früheren Arbeiten der Arbeitsgruppe Landfester konnten erfolgreich die
Funktionalisierungen von Polystyrolpartikeln erarbeitet werden [83, 84].
Es wurde nun der Fokus auf funktionalisierte gadoliniumhaltige Acrylatnanopartikel gelegt.
Der Einbau des hydrophoben Gadoliniumkomplexes Gd(tmhd)3 erfolgte, um die Verwendung
dieser Partikel als Kontrastmittel in der MRT zu verbessern. Das Molverhältnis zwischen
Monomer und Komplex lag konstant bei 50:1. Die Funktionalisierung der Partikeloberfläche
mit [COO-]-Gruppen erfolgte durch Zugabe von Acrylsäure. Es hat sich als günstig erwiesen,
die Acrylsäure zu Anfang dem Reaktionsgemisch beizumischen.
118
4. Ergebnisse und Diskussion
Alle Reaktionskomponenten wurden zu Beginn der Reaktion 1 h gerührt, mit Ultraschall
behandelt und anschließend bei 72 °C polymerisiert. Zunächst wurde der Einfluss des
verwendeten
Monomers
und
der
Acrylsäurekonzentration
auf
gadoliniumhaltige
Polymerpartikel untersucht. Als Monomere wurden neben LMA die Acrylate BMA und
MMA sowie Styrol verwendet. Die Konzentrationen des Comonomers Acrylsäure wurden
von 0 bis max. 30 Gew-% bezogen auf das verwendete Monomer variiert. Um die Anzahl der
Carboxylgruppen auf der Oberfläche bestimmen zu können, wurden die Dispersionen
dialysiert, um das Tensid auszuwaschen, und anschließend mittels Strömungspotentialmessungen (PCD) analysiert.
Die Dispersionen wurden in Abhängigkeit vom Monomer und der Acrylsäurekonzentration
hinsichtlich ihrer Teilchengrößen, ihrer Stabilität und ihrer Anzahl an funktionellen Gruppen
auf der Oberfläche analysiert (Tab. 4.13.).
Tab. 4.13. Variation der Acrylsäurekonzentration mit verschiedenen Monomeren, Monomer:Gd(tmhd)3 50:1.
Probe
gd 9
gd 478
gd 432
gd 479
gd 480
gd 481
gd 105
gd 4
gd 444
gd 434
gd 445
gd 446
gd 447
gd 11
gd 482
gd 436
gd 437
gd 282
gd 464
gd 465
gd 466
gd 467
gd 468
Monomer
LMA
LMA
LMA
LMA
LMA
LMA
LMA
BMA
BMA
BMA
BMA
BMA
BMA
MMA
MMA
MMA
MMA
Styrol
Styrol
Styrol
Styrol
Styrol
Styrol
AA
(Gew-% zum
Monomer)
0
1
5
10
15
20
30
0
1
5
10
15
20
0
1
5
15
0
1
5
10
15
20
DI (nm)
253
104
71
100
107
165
341
44
59
300
267
372
379
63
87
116
184
78
64
980
141
424
151
PDI
(DV/Dn)
3,6
1,4
1,4
1,8
1,9
2,5
3,0
1,2
2,1
3,7
3,5
4,2
6,6
2,1
1,7
1,6
1,8
1,6
2,1
9,3
2,2
6,8
2,4
FG (%)
11,3
13,0
13,4
13,1
12,5
14,0
13,5
12,2
13,1
13,1
13,8
14,4
11,5
12,4
12,8
12,7
12,6
19,9
13,6
11,8
8,9
12,0
8,3
ζ Potential
(mV)
-40,0
-49,9
-63,3
-50,3
-57,5
-31,2
-44,0
-42,1
-33,4
-70,3
-73,5
-73,8
-63,1
-31,7
-34,9
-49,8
-46,9
-46,7
-37,2
-48,1
-47,2
-52,5
-50,6
[COO-] – Gruppen
pro
Partikel
0
665
1.248
5.963
16.036
75.939
504.623
0
309
95.629
124.723
207.959
463.890
0
424
4.338
60.971
0
211
363.770
17.760
282.007
39.239
nm2
0
0.02
0.08
0.19
0.44
0.88
1.38
0
0.03
0.34
0.56
0.48
1.03
0
0.02
0.10
0.57
0
0.02
0.12
0.28
0.50
0.55
119
4. Ergebnisse und Diskussion
Im Fall vom Monomer LMA werden ohne Acrylsäurezusatz Partikelgrößen von 253 nm (gd
9) gefunden. Durch die Zugabe an Acrylsäure kommt es zu einer Abnahme der Größen bis
auf 71 nm bei 5 Gew-% AA. Bei höheren Acrylsäurekonzentrationen (bis zu 30 Gew-%)
werden Teilchendurchmesser von bis zu 341 nm erhalten. Das Ansteigen der Partikelgrößen
ist einerseits auf eine Verzweigung der Carboxylgruppen auf der Partikeloberfläche und
andererseits auf das Aufquellen der Polymerpartikel zurückzuführen. Die Verringerung der
Teilchendurchmesser von carboxylfunktionalisierten Gd(tmhd)3-PLMA-Nanopartikeln im
Vergleich zu Gd3+-PLMA-Partikeln wird durch die veränderte Teilchenmorphologie erklärt.
Partikel ohne funktionelle Gruppen auf der Oberfläche zeigen offene Strukturen (siehe Abb.
4.18.), während TEM-Aufnahmen von gadoliniumhaltigen PLMA-Nanopartikeln mit
carboxylfunktionalisierten Gruppen nicht möglich waren. Der Grund liegt hier in der
zunehmenden Hydrophilie der Polymerpartikel. Proben ohne Acrylsäurezusatz zeigen stark
hydrophoben Charakter durch die beiden hydrophoben Reagenzien Gadoliniumkomplex und
LMA. Bei dem Einsatz und der anschließenden Erhöhung des Gehaltes an Acrylsäure kommt
es durch eine zunehmende Einlagerung von Wasser zu einer Steigerung der Hydrophilie
innerhalb der Polymerteilchen.
Es wurde außerdem untersucht, wie viel Acrylsäure dem System zugesetzt werden kann.
Im Fall von Dispersionen mit LMA war es möglich, stabile Dispersionen bis zu einer
Acrylsäurekonzentration von 30 Gew-% herzustellen. Zetapotentialmessungen weisen bei
allen Acrylsäuremengen hohe Stabilitäten der Dispersionen auf. Im Hinblick auf die Anzahl
an Carboxylgruppen auf der Partikeloberfläche ist ein Anstieg mit zunehmendem Gehalt an
Comonomer von 0.019 auf 1.38 Carboxylgruppen pro nm2 zu beobachten.
Dispersionen mit dem Monomer BMA zeigen mit zunehmender Acrylsäurekonzentration eine
Erhöhung der Partikelgröße von 44 nm (0 Gew-%) auf 379 nm (20 Gew-%). Mit steigender
AA-Menge wird auch ein Anstieg der Polydispersität der Dispersionen beobachtet. Ohne
Acrylsäurezugabe wird ein PDI von 1,2 erhalten. In diesem Fall liegt eine nahezu
monodisperse Verteilung vor. Durch die Zugabe an AA kommt es zu einer Erhöhung der
Polydispersität auf bis 6,6. Statt einer monodispersen wird in diesem Fall eine stark
polydisperse Verteilung gefunden. Die Anzahl der Carboxylgruppen pro nm2 steigt mit der
Erhöhung des Acrylsäureanteils von 0.028 (1 Gew-%) auf 1.0 (20 Gew-%). Im Vergleich zu
Gd3+-haltigen PLMA-Nanopartikeln ist es hier nur möglich, bis zu einer Acrylsäuremenge
von 20 Gew-% zu BMA stabile Miniemulsionen herzustellen.
120
4. Ergebnisse und Diskussion
Der
Wechsel
zum
Monomer
MMA
führt
ebenfalls
zu
einer
Erhöhung
des
Teilchendurchmessers mit steigender Acrylsäurekonzentration von 63 nm (0 Gew-%) auf 184
nm (15 Gew-%). Auf Grund der sehr geringen maximalen Konzentration an Acrylsäure von
15 Gew-% zu MMA, welche möglich war, um stabile Dispersionen zu bekommen, konnte
lediglich eine Beladung der Partikeloberfläche von 0,57 [COO-]-Gruppen pro nm2 erhalten
werden.
Neben Copolymerisationen von Acrylsäure mit Acrylaten wurden außerdem die
Funktionalisierungen von gadoliniumhaltigen Polystyrolpartikeln durchgeführt. Im Hinblick
auf die Teilchengrößen und die entsprechenden Polydispersitäten konnten keine einheitlichen
Unterschiede festgestellt werden. Die Partikelgröße schwankt unabhängig von der
Acrylsäurekonzentration zwischen 64 nm und 980 nm. Es ist möglich, eine maximale AAMenge von bis zu 20 Gew-% bzgl. Styrol in den Dispersionen zu erhalten. Dadurch kann eine
Funktionalisierung der Oberfläche bis maximal 0,55 Carboxylgruppen pro nm2 erhalten
werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die maximale Menge an Acrylsäure, welche
eingesetzt werden kann, um stabile Dispersionen zu erhalten, vom verwendeten Monomer
abhängt. Proben mit den Monomeren BMA und Styrol zeigen bis zu einer Konzentration von
20 Gew-% AA stabile Systeme. Über dieser Konzentration werden die Dispersionen instabil
und es kann Ausflockung beobachtet werden.
Mit dem Monomer MMA ist eine maximale Zugabe von 15 Gew-% an Acrylsäure zur
Synthese stabiler Miniemulsionen möglich. Wird LMA als Monomer verwendet, können
Konzentrationen von 30 Gew-% an Acrylsäure eingesetzt werden. Vergleicht man die
Acrylate untereinander, so ist hier vor allem die Kettenlänge von Bedeutung. Dabei gilt: mit
zunehmender Kettenlänge kann eine höhere Konzentration an Comonomer ins System
eingebracht werden (LMA>BMA>MMA). Anders dargestellt: mit zunehemender Hydrophilie
der Monomere können weniger Acrylsäuremoleküle in das System eingebracht werden.
Die Anzahl der funktionellen Gruppen reicht bei allen verwendeten Monomeren aus, um an
diesen weitere Reaktionen durchführen zu können.
121
4. Ergebnisse und Diskussion
4.2.9. Synthese von fluoreszierenden Polymerpartikeln
Um die Einsatzmöglichkeiten von funktionalisierten Nanopartikeln zu zeigen, wurden
fluoreszierende gadoliniumhaltige Nanopartikel als Markerpartikel synthetisiert und diese
anschließend in Zellexperimenten untersucht. Als Fluoreszenzmarker wurde das aromatische
N-(2,6-Diisopropylphenyl)-perylen-3,4-dicarboximid (PMI) verwendet (Abb. 4.52.).
O
N
O
Abb. 4.52. Strukturformel von N-(2,6-Diisopropylphenyl)-perylen-3,4-dicarboximid (PMI), Mw= 481,36 g/mol.
Es wurden gadoliniumhaltige PLMA-Partikel untersucht. Während der Synthese der
anorganischen Polymerpartikel wurden Konzentrationen von 0, 15 und 25 Gew-% Acrylsäure
bezogen auf das Monomer verwendet. Das Molverhältnis zwischen Monomer/Comonomer
und Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat), Gd(tmhd)3, lag bei 50:1. Die
fluoreszierenden Gd3+-haltigen PLMA/AA-Partikel wurden als Zellmarker in Mesenchymalen
Stammzellen, (MSCs)-Zelllinien, eingebracht. Diese Untersuchungen wurden durch Frau
Myriam Lorenz am Institut für Transfusionsmedizin in Ulm durchgeführt [152]. Die jeweiligen
Zellen wurden mit den fluoreszierenden Nanopartikeln für 24 h inkubiert. Nach
anschließendem Waschvorgang wurde die Aufnahme der Partikel in die Zellen mittels
FACS–Untersuchungen (fluorescence activated cell sorter) quantitativ nachgewiesen.
Die optische Aufnahme der Partikel wurde durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie
bestimmt. Hierbei wurde zusätzlich die Zellwand mit dem Fluoreszenzfarbstoff RH414 rot
eingefärbt. Die Nanopartikel zeigen auf Grund des verwendeten PMI eine Grünfärbung.
In Tabelle 4.14. sind die Ergebnisse der in Zellen eingebrachten Proben dargestellt. Durch die
Zugabe von Acrylsäure werden unterschiedliche Teilchenmorpholgien erhalten, welche in
einer Abnahme der Partikelgrößen resultieren (siehe Kapitel 4.2.8.).
FL1-Werte sind Fluoreszenzintensitäten, welche aus FACS–Untersuchungen (fluorescence
activated cell sorter) erhalten werden. Aus diesen Werten können Rückschlüsse auf die
Einbettung der Partikel in die Zellen gezogen werden.
122
4. Ergebnisse und Diskussion
Wie in Tabelle 4.14. zu erkennen, erfolgt durch die Funktionalisierung der Partikeloberfläche
eine Erhöhung der Fluoreszenzintensität von 17 auf 69 (15 Gew-% AA). Eine Erhöhung der
Acrylsäuremenge im System auf 25 Gew-% führt nur noch zu einem geringen Anstieg der
FL1-Werte auf 77. Das bedeutet, dass durch die Partikelfunktionalisierung
mehr
Polymerpartikel in die Zellen eingebettet werden können.
Tab. 4.14. Charakteristika von fluoreszierenden Gd(tmhd)3-PLMA-Nanopartikeln (Molverhältnis Monomer:
Komplex 50:1) unter Variation der Acrylsäurekonzentration.
Probe
AA
(Gew-%)
Dn (nm)
PL1
Gd 4 fluoro
Gd 6 fluoro
0
15
25
254
71
179
[COO-] - Gruppen
pro
Partikel
nm2
1.378
0.086
26.372
0.263
Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie-Aufnahmen von
FL1
17
69
77
Gd3+-haltigen PLMA/(AA)-
Partikeln in Mesenchymalen Stammzellen (MSCs) bestätigen diese Ergebnisse (siehe Abb.
4.53.). Durch die Funktionalisierung der Partikeloberfläche mit Carboxylgruppen kann eine
zunehmende Einbettung der Partikel in das Zellinnere beobachtet werden. Es kann ebenfalls
die Einbringung von nichtfunktionalisierten Partikeln in die Zellen gefunden werden,
allerdings ist die aufgenommene Teilchenmenge deutlich geringer. Die Carboxylfunktionen
bewirken demnach eine leichtere und effektivere Aufnahme von Nanopartikeln in die Zellen.
123
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
c
Abb. 4.53. LSM-Aufnahmen von MSC-Zellen mit fluoreszierenden Gd(tmhd)3-PLMA–Nanopartikeln mit
a) 0 Gew-% AA (PL1), b) 15 Gew-% AA (gd 4 fluoro) und c) 25 Gew-% AA (gd 6 fluoro).
Mittels TEM-Untersuchungen konnten die erhaltenen Ergebnisse aus FACS- und LSMAnalyse bestätigt werden. In Abbildung 4.54. sind exemplarisch TEM-Bilder von MSCZellen (Gesamtansicht und Ausschnitt) von Gd(tmhd)3-PLMA-Partikeln mit einem Zusatz an
15 Gew-% Acrylsäure dargestellt. Die Nanopartikel liegen innerhalb der Zellen in den
Zellorganellen vor.
124
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
Abb. 4.54. TEM-Aufnahmen von MSC-Zellen mit fluoreszierenden PLMA/ 15 Gew-% AA:Gd(tmhd)3 –
Nanopartikel (gd 4 fluoro): a) Übersicht der Zelle und b) Zellausschnitt.
Abschließend
kann
festgestellt
werden,
dass
durch
die
Funktionalisierung
der
Partikeloberfläche mit Carboxylfunktionalitäten eine erhöhte Aufnahme der Partikel in die
Zellen erfolgt. Kopplungsreaktionen an diese Gruppen erlauben in späteren Anwendungen die
gezielte Anlagerung von Partikeln und eine gegebenenfalls gewünschte Wirkstofffreigabe.
4.3. Verkapselung von Kontrastmitteln
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein diagnostisches und bildgebendes Verfahren,
welches zur Darstellung von Strukturen des Körperinneren genutzt wird. Die Erzeugung von
Bildern erfolgt durch die Anlegung von starken Magnetfeldern. Mit Hilfe dieser Technik ist
es möglich, Schichtaufnahmen von nahezu jedem Körperteil in relativ kurzer Zeit zu erhalten
(sie Kapitel 3.5.). Zur digitalen Bildgebung wird meist ein zusätzliches Kontrastmittel
eingesetzt. Diese sind unverzichtbar bei der Differenzierung von Körpergeweben, wie
beispielsweise Muskeln und Blutgefäßen. Auch bei der Untersuchung von Tumoren werden
Kontrastmittel verwendet, da sich die Protonen des Wassers im kranken Gewebe anders
verhalten als im gesunden Gewebe. Die Unterscheidung von unterschiedlichen Gewebetypen
beruht dabei auf den magnetischen Eigenschaften der Kontrastmittel. Durch die Anwesenheit
von magnetischen Elementen werden die Relaxationszeiten des im Körper befindlichen
Wassers beeinflusst, und es kann daraus die Relaxivität bestimmt werden.
125
4. Ergebnisse und Diskussion
Kontrastmittel können in zwei Klassen eingeteilt werden. Superparamagnetisches Eisenoxid
wird zum Beispiel zur Gruppe der T2-gewichteten Kontrastmittel zugeordnet. Diese
beeinflussen die T2-Relaxationszeiten des Wassers und lassen das zu untersuchende Gewebe
dunkler erscheinen. In der Medizin werden meist positive Kontrastmittel, welche die T1Relaxationszeiten beeinflussen und dadurch das Gewebe heller erscheinen lassen, verwendet.
Am häufigsten genutzte Verbindungen stellen hierbei hydrophile paramagnetische
Gadoliniumchelate (z.B. Gd(DTPA), Gd(DOTA)) dar. Da jedoch hohe Dosen an
Kontrastmittel nötig sind, gibt es zunehmendes Interesse an der Verkapselung von
Kontrastmitteln in Polymernanopartikeln. Dadurch ist es möglich, die für Untersuchungen
notwendige Anzahl an Gadoliniummolekülen durch die Herabsetzung des osmotischen
Druckes zu verringern, das Kontrastmittel gezielt zum Wirkungsort zu transportieren und
gleichzeitig die Relaxationszeiten des Körperwassers zu erhöhen.
Daher bestand das Interesse, hydrophile Gadoliniumchelate in poröse Polymerhüllen zu
verkapseln, um dadurch eine Erhöhung der Relaxivitäten mit gleichzeitiger Herabsetzung der
im Körper nötigen Kontrastmittelmenge zu erzielen.
Als Kontrastmittel wurden das bereits in der MRT eingesetzte Magnevist® (Konzentration:
0,5 mmol/ml) mit dem Komplex Gadoliniumdiethylentriaminpentaessigsäure Gd(DTPA) und
das in der klinischen Testphase befindliche Gadovist® (Konzentration: 1 mmol/ml) mit dem
Komplex Gadobuterol verwendet (Abb. 4.55.).
O
O
O
O
O
N
O
N
N
O
Gd3+
Gd3+
O
O
N
O
N
OH
N
OH
O
O
H
O
N
O
O
O
O
O
O
H
H
a)
H
b)
Abb.4.55. Strukturformel von a) Gadoliniumdiethylentriaminpentaessigsäure Gd(DTPA) (Komplex in
Magnevist®) und b) Gadobuterol (Komplex in Gadovist®).
Als polymere Hüllen wurden die Polymere Polyurethan und Polyharnstoff sowie vernetztes
Dextran,
welche
mittels
Grenzphasenpolyaddition
hergestellt
wurden,
Polyurethan findet bereits Anwendung in der Medizin (siehe Abb. 4.56.b).
126
eingesetzt.
4. Ergebnisse und Diskussion
So sind beispielsweise künstliche Blutgefäße, künstliche Herzklappen und Hautimplantate aus
Polyurethan aufgebaut [153].
Auf Grund der Dichte der PUR-Hülle kann dieses System als Modellsystem verstanden
werden, da dadurch gewährleistet ist, dass der wässrige Gadoliniumkomplex sich in der
Polymernanokapsel befindet und nicht hinausdiffundiert. Anwendungstechnisch von
größerem Interesse ist die Verkapselung von Materialien in eine biokompartiple
Polymerhülle. Hierzu wurden Versuche mit dem hochmolekularen und neutralen
Biopolysaccharid Dextran durchgeführt (Struktur siehe Abb. 4.56.a).
CH 2
*
O
H
H
CH 2
H
H
OH
H
O
H
O
OH
H
H
H
OH
OH
O
OH
*
CH 2
O
H
H
H
OH
OH
H
CH 2
H
O
H
O
OH
H
H
H
H
OH
CH 2
O
OH
O
H
H
H
H
OH
CH 2
H
OH
O
OH
O
H
H
H
H
OH
H
OH
O
OH
H
OH
a)
O
O
N
H
N
H
O
n
b)
N
H
n
c)
Abb.4.56. Strukturformel von a) Dextran, b) Polyurethan und c) Polyharnstoff.
Auf Grund der in Wasser vorliegenden Komplexe wurde der inverse Miniemulsionsprozess
gewählt (Abb. 4.57.). Crespy entwickelte hierfür diesen Syntheseweg
[121]
. Er stellte
Nanokapseln her, in welchen hydrophile organische Substanzen (Formamid, DMSO, 2Pyrrolidon) sowie Wasser eingekapselt wurden.
127
4. Ergebnisse und Diskussion
Als polymere Materialien verwendete er Polyharnstoff (PH), Polyurethan (PUR),
Polythioharnstoff sowie mit 2,4-Toluoldiisocyanat vernetztes Dextran und Stärke.
Je nach Reaktionsparametern konnten Kapseln oder Partikel synthetisiert werden. Ziel war es
zu zeigen, dass diese Kapselstrukturen als Nanoreaktorprinzip verstanden werden können.
Um dies zu demonstrieren, führte er in hohlen Polyharnstoffkapseln die Reduktion zu Silber
durch.
Zugabe von
Kontrastmittel (KM),
Monomer 1,
Lipophob
Zugabe von Tensid,
Cyclohexan,
Monomer 2
KM
Grenzflächenpolyaddition
1) 1h rühren
KM
KM
KM
KM
KM
KM
2) Ultraschall
KM
KM
Messungen der T1Relaxationszeiten im MRT
KM
KM
KM
Redispergierung in
wässriger
Tensidlösung
KM
Öl und Tensid
Abb.4.57. Darstellung der Nanokapselsynthese mittels inverser Miniemulsionstechnik.
Wie in Abbildung 4.57. dargestellt, wird zuerst das amphiphile Blockcopolymer
Poly[(ethylen-co-butylen)-b-(ethylenoxid)], (P(B/E-b-EO), siehe Kapitel 2.1.3.), welches hier
als Tensid wirkt, unter Temperaturerhöhung und Ultraschallbadbehandlung im Lösungsmittel
Cyclohexan gelöst. Zu dieser Mischung wird eine disperse Phase, bestehend aus einem
Lipophob (NaCl), einem Monomer (ein Diol zur Herstellung von Polyurethan, ein Diamin zur
Herstellung von Polyharnstoff, Dextran) und dem zu verkapselnden Material (Wasser,
wässriges Kontrastmittel) zugegeben.
Nach Rühren und anschließender Ultraschallbehandlung wird das zweite hochreaktive
Monomer 2,4-Toluoldiisocyanat (TDI), verdünnt in Cyclohexan, langsam zugetropft. Die
Grenzflächenpolyaddition erfolgt im Fall von Polyurethan und Dextran bei 60 °C und im Fall
von Polyharnstoff bei Raumtemperatur. Für Untersuchungen in der Kernspintomographie
wurden unterschiedliche Mengen der Probe in eine wässrige SDS-Lösung redispergiert und
anschließend Verdünnungsreihen (mit Wasser etc.) untersucht.
128
4. Ergebnisse und Diskussion
4.3.1. Synthese von PUR-Nanokapseln
In diesem Teilabschnitt soll der Einfluss der Polymerhülle auf die Eigenschaften der
Nanokapseln, welche einen wässrigen Magnevist®-haltigen Kern besitzen, untersucht werden.
Die Grenzflächenpolyadditionsreaktion wurde mit den Monomeren 1,6-Hexandiol (Monomer
1) und 2,4-Toluoldiisocyanat (TDI, Monomer 2) durchgeführt. Das eingesetzte Verhältnis
Diol zu Diisocyanat lag bei 1:2,8. Die Konzentration an Monomer 1 zur kontinuierlichen
Phase betrug 1,3 Gew-%.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4.15. dargestellt.
Tab. 4.15. Ergebnisse der PUR-Nanokapseln.
Probe
Gew -%
Verhältnis
Verhältnis
Monomer 1:
Polymer:
Monomer 2
Magnevist®
cap 17
100:0
1:2.8
cap 19
30:70
1:2.8
* aus TEM-Aufnahmen bestimmt
DI in
Cyclohexan
(nm)
PDI
Cyclohexan
(DV/Dn)
DI in
Wasser
(nm)
PDI
Wasser
(DV/Dn)
FG
(%)
Theo
FG
(%)
Hüllendicke
(nm)*
327
119
2,0
1,7
201
223
2,3
3,2
3,0
6,9
2,6
2,6
16 - 26
23 - 33
Wie in Tabelle 4.15. erkennbar, zeigen PUR-Kapseln mit einem wässrigen Kern in der
organischen Lösung Teilchengrößen von 327 nm. Durch den Wechsel von reinem Wasser zu
einer wässrigen Magnevist®-Lösung wird eine Erniedrigung der Partikelgröße auf 119 nm bei
einem Polymer zu Magnevist®-Verhältnis von 30:70 erhalten. Des Weiteren weisen
magnevisthaltige PUR-Kapseln höhere Feststoffgehalte als nicht magnevisthaltige Kapseln
auf.
Auf Grund dieser Ergebnisse wird angenommen, dass der hydrophile Gadoliniumkomplex
tensidische Wirkungen zeigt. Demnach stabilisieren das amphiphile Blockcopolymer (P(B/Eb-EO) die Kapseln von außen und der hydrophile Gadoliniumkomplex die Kapseln von innen.
Gleichzeitig bedeutet das, dass der Gadoliniumkomplex vermehrt an der Kapselhülle vorliegt
(siehe
Abb.
4.58.).
Um
diese
Annahmen
beweisen
zu
können,
wurden
®
Oberflächenspannungen von reinem Wasser und von der wässrigen Magnevist -Lösung bei
20 °C aufgenommen. Die Oberflächenspannung von Wasser liegt bei dieser Temperatur im
Bereich von 72,5 ± 0,020 mN/m. Im Fall der wässrigen Magnevist®-Lösung kann ein Wert
von 69,4 ± 0,035 mN/m gefunden werden. Die leichte Erniedrigung der Oberflächenspannung
erfolgt durch die Herabsetzung der Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen.
129
4. Ergebnisse und Diskussion
Der Unterschied zwischen den gemessenen Oberflächenspannungen ist nur geringfügig,
daraus ergibt sich, dass allein die Magnevist®-Lösung nicht als Tensid wirkt, sondern nur in
Kombination mit einem weiteren Tensid. Das bedeutet, dass der Einsatz des hydrophilen
Gadoliniumkomplexes sinnvoll ist, wenn eine zusätzliche Stabilisierung von Nanopartikeln
bzw. Nanokapseln vom Inneren heraus erwünscht ist.
P(B/E-b-EO)
Gd(DTPA)
Abb. 4.58. Schematisches Modell zur Erklärung der tensidischen Eigenschaften des Gadoliniumkomplexes.
Ein Vergleich beider Proben hinsichtlich ihrer Teilchenmorphologie ist in Abbildung 4.59.
gezeigt.
Kapseln, die Wasser als Kernmaterial besitzen, zeigen ovale Formen, welche nach dem
Trocknen Kristalle des Lipophobs NaCl im Inneren aufweisen. Durch das Verkapseln der
wässrigen Magnevistlösung in die Polyurethanhülle kann in TEM-Aufnahmen, auf Grund des
hohen Kontrastvermögens des Gadoliniumions eine deutliche Kontrastverstärkung gesehen
werden (Abb. 4.59.b). In beiden Fällen sind die Nanokapseln von sphärischen Kugeln mit
Größen von 35 bis 45 nm umgeben. Es wird angenommen, dass es sich dabei um Mizellen
des eingesetzten amphiphilen Blockcopolymertensides handelt. Aus den erhaltenen TEMAufnahmen konnten außerdem die Hüllendicken bestimmt werden. PUR-Nanokapseln,
welche Wasser als zu verkapselndes Material haben, zeigen Dicken im Bereich von 16 bis 26
nm. Durch den Einsatz der wässrigen Magnevist®-Lösung erfolgt eine geringfügige
Verbreiterung der Kapselhüllen auf 23 bis 33 nm. Das bestätigt die Annahme, dass der
hydrophile Gadoliniumkomplex sowohl im Kapselinneren als auch zur Stabilisierung der
Kapseln an der Polymerhülle vorliegt.
130
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
Abb. 4.59. TEM-Aufnahmen von PUR-Polymerkapseln: a) mit Wasser (cap 17) und b) mit Magnevist®-Lösung
(cap 19).
Durch Analyse der Nanokapseln mittels FTIR-Spektroskopie konnte der Verbrauch an
Transmission (a.u.)
reaktivem Monomer 2 (TDI) untersucht werden (Abb. 4.60.).
2,4-Toluoldiisocyanat (TDI)
mit Wasserkern (cap 17)
mit Magnevistkern (cap 19)
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
Wellenzahl (nm )
Abb. 4.60. IR-Spektren von PUR-Polymerkapseln mit Wasserkern (cap 17) und mit Magnevist®-Kern (cap 19)
im Vergleich zum Monomer 2 (2,4-Toluoldiisocyanat, TDI), charakteristischer Peak der
Isocyanatgruppe: 2280 cm-1.
In Abbildung 4.60. sind die IR-Spektren beider Proben im Vergleich zum eingesetzten
Monomer 2 dargestellt. Die reaktive Isocyanatgruppe des TDIs zeigt eine charakteristische
Bande bei 2280 cm-1.
131
4. Ergebnisse und Diskussion
Dieser Bereich ist nach der Synthese der Nanokapseln nicht mehr zu detektieren, somit ist die
Grenzflächenpolyaddition vollständig abgelaufen.
Da bei MRT-Untersuchungen Aufnahmen durch die Relaxivitätsänderung der Protonen des
im Körper vorhandenen Wassers erhalten werden, müssen die Magnevist®-haltigen
Nanokapseln, welche in einer Cyclohexanphase hergestellt wurden, in eine wässrige Phase
überführt werden (Redispergierungsschritt). Diese redispergierten Lösungen werden dann im
MRT untersucht.
DLS-Messungen zeigen, dass durch die Redispergierung von PUR-Kapseln ohne
Magnevistlösung (cap 17) eine Abnahme der Teilchengröße von 327 nm (in Cyclohexan) auf
201 nm (in Wasser) erfolgt (Tab. 4.15.). Wasser, welches sich im Kapselinneren befindet,
diffundiert durch die poröse Polymerhülle in die umgebende wässrige Phase und erniedrigt
dadurch den Teilchendurchmesser. Magnevisthaltige Nanokapseln zeigen eine Erhöhung der
Partikelgröße von 119 nm (in Cyclohexan) auf 223 nm (in Wasser). In diesem Fall findet der
umgekehrte Prozess statt. Wasserprotonen der umgebenden kontinuierlichen Phase
registrieren den paramagnetischen Gadoliniumkomplex, welcher sich im Kapselinneren
befindet, und diffundieren durch die Polymerhülle ins Kapselinnere und erhöhen dadurch den
Kapseldurchmesser.
TEM-Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Morphologie im wässrigen Medium zu
bestimmen (Abb. 4.61.).
a
b
Abb. 4.61. TEM-Aufnahmen von redispergierten PUR-Polymerkapseln: a) 100 Gew-% Wasser (cap 17) und
b) 100 Gew-% Magnevist®-Lösung (cap19).
132
4. Ergebnisse und Diskussion
Sowohl mit einem wässrigen als auch mit einem magnevisthaltigen Kapselkern können
geschlossene Teilchenstrukturen erkannt werden, wobei mit einem magnevisthaltigen Kern
stärkere partikuläre Strukturen ausgebildet werden.
Durch
die
geschlossenen
Morphologien
ist
gewährleistet,
dass
der
hydrophile
Gadoliniumkomplex im Inneren der Kapsel vorliegt und nur das umgebende Wasser auf
Grund des porösen Charakters der Polymerhülle in das Kapselinnere hinein- und
hinausdiffundieren kann. Es erfolgt somit nur durch die Anwesenheit des paramagnetischen
Gadoliniumions die Beeinflussung der Relaxivität der Wasserprotonen.
Mit
Hilfe
der
Magnetresonanztomographie
wurden
die
T1-Relaxationszeiten
von
Wasserprotonen bestimmt und aus den erhaltenen Werten die T1-Relaxivität berechnet, um
die Anwendungsmöglichkeiten des verkapselten Kontrastmittels zu zeigen.
Um zu zeigen, dass der Gadoliniumkomplex in den Nanopartikeln vorliegt und es lediglich zu
einem Austausch der Protonen des Wassers kommt, wurden MRT-Untersuchungen mit PURKapseln durchgeführt, welche nicht in ein wässriges Medium überführt wurden. Es konnten
hierbei T1-Relaxivitäten von unter 0.005 mM-1s-1 gemessen werden. Wie bereits in Kapitel
3.5. dargestellt, können drei unterschiedliche Arten von Wasseraustausch stattfinden. In der
inneren Phase (engl. inner sphere) sind die Sauerstoffmoleküle des Wassers direkt am Gd3+Ion gebunden und es erfolgt ein chemischer Austausch der Wassermoleküle. In der zweiten
Phase
(engl.
second
sphere)
liegen
die
Wassermoleküle
hydratisiert
um
den
Gadoliniumkomplex vor. Über Wasserstoffbrückenbindungen findet ein Wasseraustausch
statt. Bei der äußeren Phase (engl. outer sphere) befinden sich die Wassermoleküle um den
Komplex herum und es kann nur ein Protonenaustausch über Diffusionsvorgänge stattfinden.
[145]
. Auf Grund der sehr geringen T1-Relaxivitäten kann nur ein Wasseraustausch im
Kapselinneren erhalten werden, welcher in unserem Fall der inneren Phase entspricht. Daher
nehmen wir an, dass es durch die Überführung der Kapseln in eine wässrige Phase zu einem
Diffusionsstrom der Wasserprotonen aus der umgebenden Wasserphase durch die poröse
Polymerhülle in das Kapselinnere kommen muss (siehe Abb. 4.62.).
133
4. Ergebnisse und Diskussion
H
H
O
O
H
H
H
O
H
Gd3+
3+
Gd3+ Gd
H
O
H
H
O
H
Gd3+
O
O
H
H
H
H
O
H
H
O
H
H
Abb. 4.62. Prinzip des Protonenaustausches in Gegenwart von Gd3+ durch die poröse Polymerhülle.
Um diese Annahme zu bestätigen, wurden T1-Relaxivitäten von magnevisthaltigen PURNanokapseln in Wasser aufgenommen. Hierzu wurden die Nanokapseln von der organischen
in die wässrige Phase überführt und von dieser redispergierten Kapsellösung wurden 5
verschiedene Verdünnungen hergestellt. Aus den erhaltenen T1-Relaxationswerten wurde
durch die Auftragung von 1/T1 gegen die Konzentration an Gd3+ aus der Steigung die
Relaxivität des Kontrastmittels bestimmt.
In
Abbildung
4.63.
sind
jetzt
die
reziproken
T1-Relaxationszeiten
gegen
die
Gadoliniumkonzentration von reiner Magnevist®-Lösung und Magnevist®-haltigen PURNanokapseln aufgetragen.
25
®
Magnevist -Lösung
®
PUR-Nanokapsel mit Magnevist -Lösung
15
-1
1/ T1 (sec )
20
-1 -1
R = 4.02 mM s
10
-1 -1
R = 3.71 mM s
5
0
0
1
2
3
4
5
6
3+
Gd -Konzentration (mmol/L)
Abb. 4.63. Auftragungen von 1/T1 gegen die Gadoliniumionkonzentration zur Bestimmung der Relaxivitäten.
In beiden Fällen steigt die reziproke T1-Relaxationszeit mit zunehmender Gd3+-Konzentration
linear an. Die Relaxivität reiner wässriger Magnevist®-Lösung beträgt 4.02 mM-1s-1.
134
4. Ergebnisse und Diskussion
Durch die Verkapselung des Kontrastmittels in einer Polyurethanhülle wird eine T1Relaxivität von 3.71 mM-1s-1 beobachtet. Durch diese Ergebnisse ist bewiesen, dass es durch
die poröse Polymerhülle zu einem Wasseraustausch mit den umgebenden Wassermolekülen
kommt. Wäre dies nicht der Fall, hätten wir statt einer porösen eine undurchlässige
Polymerhülle. Es wäre kein Wasseraustausch möglich und T1-Relaxivitäten lägen im Bereich
der erhaltenen Werte für Kapseln in Cyclohexan.
Um die Anwendungsmöglichkeiten dieser magnevisthaltigen PUR-Nanokapseln in der
Medizin zu zeigen, wurden die T1-Relaxivitäten mittels Magnetresonanztomographie auch
unter physiologischen Bedingungen (isotonische NaCl-Lösung, Jonasteril®BAS Lösung,
menschliches Blut) untersucht (Tab. 4.16.).
Tab. 4.16. Aus magnetresonanztomographischen Ergebnissen bestimmte Relaxivitäten von Magnevist®-haltigen
PUR-Nanokapseln im Vergleich zur Magnevist®-Lösung.
Lösung
T1-Relaxivität (mM-1s-1)
von Magnevist®-Lösung
isotonisches NaCl
Jonasteril® BAS
menschliches Blut (verdünnt mit K3EK3EDTA)
EDTA-Plasma
Serum
3.70
4.70
3.97
5.53
4.54
T1-Relaxivität (mM-1s-1) von
Magnevist®-haltigen
PUR-Nanokapseln
3.09
3.97
3.96
3.54
3.44
Als Startlösung wurde der Protonenaustausch in wässriger isotonischer NaCl-Lösung
untersucht.
Die erhaltene Relaxivität nimmt durch die Verkapselung von 3.70 auf 3.09 mM-1s-1 ab.
Trotzdem kann festgehalten werden, dass ein Protonenaustausch durch die poröse
Polymerhülle stattfindet, da sonst noch geringere Relaxivitäten erhalten werden müssten. Als
zweite ionische Lösung wurde Jonasteril®BAS, welche als Injektionslösung in der Medizin
eingesetzt wird, verwendet. Hauptbestandteil dieser Lösung ist Glucosemonohydrat. Die
Verkapselung von Magnevist®-Lösung in eine Polyurethanhülle zeigt eine leichte
Erniedrigung der Protonenrelaxivität von 4.70 mM-1s-1 auf 3.97 mM-1s-1.
Untersuchungen von Magnevist®-haltigen PUR-Nanokapseln im menschlichen Blut (verdünnt
mit K3EK3EDTA) dienten dem Ziel, das hohe Potential solcher Nanosysteme, hergestellt mit
dem Miniemulsionsprozess, für medizinische Anwendungen darzustellen. Die erhaltenen
Relaxivitäten von reinem Kontrastmittel und verkapselten Kontrastmittel bewegen sich im
Bereich von 3.97 mM-1s-1 und 3.96 mM-1s-1.
135
4. Ergebnisse und Diskussion
Um den Einfluss der Nanokapseln auf das Blut näher zu untersuchen, wurde das Blut in seine
Bestandteile (EDTA-Plasma, Serum) aufgetrennt und die Relaxivitäten gemessen. Im Fall von
EDTA-Plasma wird durch die Verkapselung eine Erniedrigung der Relaxivitäten von 5.53
mM-1s-1 nach 3.54 mM-1s-1 beobachtet. Das Einbringen der Nanokapseln in Serum zeigt
ebenfalls eine leichte Erniedrigung der Relaxivitäten von 4.54 mM-1s-1 auf 3.44 mM-1s-1.
4.3.2. Variation der Polymerhülle
Im nächsten Schritt wurde der Einfluss der Konzentration an Monomer 1 (1,6-Hexandiol)
untersucht (siehe Tabelle 4.17.).
Tab. 4.17. Ergebnisse von PUR-Nanokapseln unter Variation der Polymerhülle.
Probe
Monomer 1
Gew-% Verhältnis
Monomer 1:
Monomer 2
cap 22 1,6-Hexandiol
1:1.12
cap 23 1,6-Hexandiol
1:0.56
cap 35 1,3-Propandiol
1:2.8
cap 37 1,3-Propandiol
1:2.8
cap 36
Glycerol
1:2.8
cap 38
Glycerol
1:2.8
* aus TEM-Aufnahmen bestimmt
Gew -% Verhältnis
Polymer: Magnevist®Lösung
45:55
40:60
100:0
30:70
100:0
30:70
DI
(nm)
PDI
(DV/Dn)
FG
(%)
181
307
405
178
587
5096
2,7
3,6
5,2
2,3
5,1
9,8
7,6
7,9
4,9
6,8
4,2
7,8
Hüllendicke
(nm)*
13 - 24
20 - 36
15 - 25
19 - 35
Es wurden Polyurethankapseln unterschiedlicher Mengen an Monomer 1 unter Beibehaltung
der Monomer 2-Menge mit magnevisthaltigem Kern synthetisiert. Hierbei wurde lediglich das
Verhältnis zwischen den Monomeren 1,6-Hexandiol (Monomer 1) und 2,4-Toluoldiisocyanat
(Monomer 2) variiert. Mit zunehmendem OH-Gehalt konnte eine Zunahme der Partikelgröße
von 119 nm (OH/NCO 1:2,8, siehe Tabelle 4.15.) auf 307 nm (OH/NCO 1:0,56) beobachtet
werden (Tabelle 4.17.).
TEM-Aufnahmen zeigen eine deutliche Änderung der Teilchenmorphologie (Abb. 4.64.).
136
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
Abb. 4.64. TEM-Aufnahmen von Magnevist®-haltigen PUR-Polymerkapseln: a) OH/NCO 1:1,12 (cap 22) und
b) OH/NCO 1:0,56 (cap 23).
Mit steigendem Alkoholanteil kann ein Verschwinden der Kapselstruktur beobachtet werden
(Abb. 4.64.). Es werden zunehmend runde Partikel gefunden. Ein Grund kann in der
Reduzierung der Diisocyantkomponente liegen. Bei einem OH/NCO-Verhältnis von 1:2,8
erfolgt durch den Überschuss an TDI die Grenzflächenpolyadditionsreaktion vollständig.
Durch die Herabsetzung der Diisocyanatverbindung läuft die Reaktion nicht vollständig ab,
daraus resultieren überschüssige freie Alkoholgruppen. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die
Isocyanatgruppen (mit abnehmendem Gehalt) vermehrt mit dem Wasser der Magnevistlösung
reagieren und dadurch Partikelstrukturen bilden.
Das unterschiedliche OH/NCO-Verhältnis Magnevist®-haltiger PUR-Nanokapseln wurde
auch mit der Magnetresonanztomographie untersucht (Abb. 4.65.).
137
4. Ergebnisse und Diskussion
25
®
Magnevist -Lösung
®
PUR-Nanokapseln mit Magnevist -Lösung,
OH/NCO-Verhältnis von 1:2,8
®
PUR-Nanokapseln mit Magnevist -Lösung,
OH/NCO-Verhältnis von 1:0,56
15
-1
1/T1 (sec )
20
10
-1 -1
R = 3.71 mM s
5
-1 -1
R = 4.02 mM s
-1 -1
R = 2.15 mM s
0
0
1
2
3
4
5
6
7
3+
Gd -Konzentration (mmol/L)
Abb. 4.65. Auftragungen von 1/T1 gegen die Gadolinium3+-Konzentration zur Bestimmung der Relaxivitäten
unter Variation des OH/NCO-Verhältnisses von Magnevist®-haltigen PUR-Kapseln.
Wie in Abbildung 4.65. zu erkennen, hängt der Protonenaustausch und die daraus erhaltene
Relaxivität von dem OH/NCO-Verhältnis und der daraus resultierenden Kapseldicke ab. Die
Variation des OH/NCO-Verhältnisses von 1:2,8 auf 1:0,56 führt zu einer Herabsetzung der
Protonenrelaxivität von 3.71 mM-1s-1 auf 2.15 mM-1s-1. Grund ist die Verdickung der
Kapselhülle. Die Polymerhülle liegt in diesem Fall so kompakt vor, dass die Protonen kaum
in den gadoliniumhaltigen Kapselkern vordringen können und es somit nur zu einem geringen
Protonenaustausch kommt.
Neben dem OH/NCO-Verhältnis zwischen 1,6-Hexandiol und TDI wurde nun die Art des
Monomers 1 variiert und deren Einfluss auf die Kapselbildung untersucht (Tab. 4.17.). Als
Monomere wurden dabei das kürzerkettige 1,3-Propandiol und das trifunktionale Glycerol
(1,2,3-Propantriol) verwendet. Glycerol stellt eine hydrophile Verbindung dar, die ein
natürlicher Bestandteil von Ölen und Fetten ist und unter anderem in Kosmetikartikeln und in
der Medizin eingesetzt wird. Ziel war es, mit diesem Triol den Anteil an hydrophilen
Segmenten innerhalb des Polyurethans zu erhöhen.
PUR-Nanokapseln ohne Magnevist®-haltigen Kern zeigen im Vergleich zu bisher
hergestellten PUR-Kapseln eine Erhöhung der Partikelgröße (Tab. 4.15.). Sie steigt von 327
nm (mit 1,6-Hexandiol, cap 17) auf 405 nm (mit 1,3-Propandiol, cap 37) und 587 nm (mit
Glycerin, cap 38).
138
4. Ergebnisse und Diskussion
Wird nun wässrige Magnevist®-Lösung als Kernmaterial eingesetzt, so kann im Fall von 1,3Propandiol eine Verkleinerung der Kapselgrößen auf 178 nm gefunden werden. Unter
Verwendung von Glycerol hingegen wird eine Erhöhung der Partikelgröße von 588 nm auf 5
μm erhalten.
TEM-Aufnahmen zeigen unterschiedliche Kapselstrukturen in Abhängigkeit von der
eingesetzten Alkoholkomponente (Abb. 4.66.).
a
b
c
d
Abb. 4.66. TEM-Aufnahmen von PUR-Polymerkapseln: a) 1,3-Propandiol ohne Magnevist®-Lösung (cap 35),
b) 1,3-Propandiol mit Magnevist®-Lösung (cap 37), c) Glycerol ohne Magnevist®-Lösung (cap 36)
und d) Glycerol mit Magnevist®-Lösung (cap 38).
139
4. Ergebnisse und Diskussion
Durch den Zusatz an Magnevist®-Lösung bei der Herstellung der PUR-Nanokapseln mit 1,3Propandiol kann eine deutliche Vergrößerung der Teilchengrößen und der Schichtdicken von
13 - 24 nm (cap 35) auf 20 - 36 nm (cap 37) erkannt werden (Abb. 4.66.a, b). Im Fall von mit
Glycerol hergestellten Dispersionen ändert sich die Kapselmorphologie von geschlossenen
(ohne Magnevist®-Lösung, Abb. 4.66.c) nach offenen Kapselstrukturen (mit Magnevist®Lösung, Abb. 4.66.d). Das bedeutet, dass die Verwendung von Glycerol zur Synthese von
PUR-Kapseln nicht sinnvoll ist.
Des Weiteren war die Variation der Polymerhülle von Interesse. Statt wie bisher in
Polyurethanhüllen Wasser und Magnevist®-Lösung einzukapseln, wurden nun Hüllen aus
Polyharnstoff (PH) und vernetztem Dextran synthetisiert (Tab. 4.18.).
Tab. 4.18. Nanokapseln unter Variation der Polymerhülle.
DI
(nm)
PDI
(DV/Dn)
FG
(%)
PH
Gew-% Verhältnis
Polymer: Magnevist®Lösung
100:0
397
3,8
3,2
Hüllendicke
(nm)*
18 - 30
PH
30:70
222
2,8
4,5
23 - 40
100:0
597
6,4
3,8
10 - 20
30:70
277
4,7
4,8
20 - 45
Probe
Monomer 1
Polymer
cap 16
Diethylentriamin
cap 18
Diethylentriamin
cap 31
Dextran
vernetztes
Dextran
cap 33
Dextran
vernetztes
Dextran
* aus TEM-Aufnahmen bestimmt
PH-Nanokapseln ohne Magnevist®-Zusatz zeigen Größen von 397 nm. Durch den Ersatz des
Wassers mit Magnevist®-Lösung konnte, wie in bereits gezeigten PUR-Dispersionen, eine
Verkleinerung der Teilchengrößen auf 222 nm erhalten werden. Vernetzte Dextran-Kapseln
mit einem Wasserkern zeigen einen um 200 nm größeren Durchmesser als PH-Kapseln.
Durch den Einsatz des Gadoliniumkomplexes kann ebenfalls eine Erniedrigung des
Partikeldurchmessers von 587 nm auf 327 nm beobachtet werden.
Anhand der TEM-Bilder kann ein deutlicher Einfluss des Gadoliniumkomplexes erkannt
werden (Abb.4.67.).
140
4. Ergebnisse und Diskussion
a
b
c
d
Abb. 4.67. TEM-Aufnahmen von Polymerkapseln mit und ohne Magnevist®-Lösung: a) PH ohne Magnevist®Lösung (cap 16), b) PH mit Magnevist®-Lösung (cap 18), c) Dextran ohne Magnevist®-Lösung
(cap 31) und d) Dextran mit Magnevist®-Lösung (cap 33).
Polyharnstoffkapseln mit einem wässrigen Kern zeigen geschlossene Morphologien, in denen
Natriumchloridkristalle erkennbar sind (Abb. 4.67.a). Durch die Verkapselung der wässrigen
Magnevist®-Lösung kann eine Verdickung der Polymerhülle festgestellt werden (Abb.
4.67.b). Dextranhaltige Kapseln zeigen ohne Magnevist®-Lösung meist geöffnete Strukturen
(Abb. 4.67.c). Erst durch das Einbringen von Magnevist® entstehen geschlossene Kapseln
(Abb. 4.67.d). Die Erhöhung der Wanddicke der Kapselhülle kann auf den tensidischen Effekt
des Gadoliniumkomplexes zurückzuführen sein. Die Komplexmoleküle lagern sich zur
Stabilisierung an die Hülle an (siehe Abb. 4.58.).
141
4. Ergebnisse und Diskussion
Magnetresonanztomographische
Untersuchungen
von
magnevisthaltigen
Dextran-
Nanokapseln erlauben nun Aussagen über die Beeinflussung der Protonenrelaxivität durch
das gadoliniumhaltige Kontrastmittel (Abb. 4.68.). Das Biopolymer Dextran wird auf Grund
seiner Biokompatibilität und Bioabbaubarkeit in der Medizin für den Einsatz von
Nanomaterialien verwendet.
25
®
Magnevist -Lösung
®
Dextran-Nanokapseln mit Magnevist -Lösung
20
-1
1/T1 (sec )
15
10
-1 -1
R = 4.02 mM s
5
-1 -1
R = 3.80 mM s
0
0
1
2
3
4
5
6
7
3+
Gd -Konzentration (mmol/L)
Abb. 4.68. Auftragungen von 1/T1 gegen die Gadoliniumionkonzentration zur Bestimmung der Relaxivitäten.
Die Relaxivität der Magnevist®-Lösung beträgt 4.02 mM-1s-1. Durch die Verkapselung des
Kontrastmittels in eine bioabbaubare Dextranhülle wird eine Relaxivität von 3.80 mM-1s-1
beobachtet. Ebenfalls wie im Fall von PUR-Kapseln kann dadurch festgestellt werden, dass
das Prinzip des Wasseraustausches durch die poröse Polymerhülle funktioniert.
4.3.3. Variation des Magnevist® zu Wasser-Verhältnisses
Um den Einfluss des Gadoliniumkomplexes und dessen tensidische Eigenschaften näher zu
betrachten,
wurden
unterschiedliche
Magnevist®-zu-Wasser-Verhältnisse
verkapselndes Material bei der Synthese von PUR-Kapseln eingesetzt.
In Tabelle 4.19. sind die Ergebnisse dokumentiert.
142
als
zu
4. Ergebnisse und Diskussion
Tab. 4.19. PUR-Nanokapseln mit verschiedenen Magnevist®-Lösung -zu-Wasser-Verhältnissen.
Magnevist®-Lösung:
H2O-Verhältnis
(Gew-%)
cap 19
100
cap 24
80:20
cap 25
50:50
cap 26
20:80
cap 17
0
* aus TEM-Aufnahmen bestimmt
Probe
DI in
Cyclohexan
(nm)
119
110
222
329
327
PDI
Cyclohexan
(DV/Dn)
1,7
1,9
2,9
2,7
2,0
FG
(%)
Hüllendicke
(nm)*
6,9
5,6
5,3
4,6
3,0
23 - 33
25 - 50
10 - 30
10 - 30
16 - 26
Die erhaltenen Teilchengrößen und Feststoffgehalte können bereits einen ersten Hinweis auf
die tensidische Wirkung des hydrophilen Gadoliniumkomplexes geben. Mit zunehmender
Menge an Wasser und gleichzeitiger Abnahme des Magnevist®-anteils wird eine Zunahme
der Teilchengrößen beobachtet. So nimmt beispielsweise die Kapselgröße von 119 nm (100
Gew-% Magnevist®-Lösung) auf bis zu 327 nm (100 Gew-% Wasser) zu. Diese ist erklärbar
mit dem verringerten Anteil von Komplexmolekülen, welche zur Stabilisierung der Kapsel im
Kapselinneren zur Verfügung stehen. Die Stabilisierung erfolgt zunehmend nur durch das in
der kontinuierlichen Phase vorliegende amphiphile Blockcopolymer (P(B/E-b-EO).
Des
Weiteren
können
mit
zunehmendem
Wasseranteil
Unterschiede
in
der
Partikelmorphologie gefunden werden (Abb. 4.69.).
a
b
143
4. Ergebnisse und Diskussion
c
Abb. 4.69. TEM-Aufnahmen von PUR-Polymerkapseln: a) Magnevist®-Lösung:Wasser 80:20 (cap 24),
b) Magnevist®-Lösung:Wasser 50:50 (cap 25) und c) Magnevist®-Lösung:Wasser 20:80 (cap 26).
Durch die Verringerung der Menge an Magnevist®-Lösung kann in TEM-Aufnahmen eine
Abnahme des Kontrastes, welcher vom paramagnetischen Gadoliniumion stammt, beobachtet
werden. Die Kapseln weisen unterschiedliche Kapseldicken auf, welche jedoch unabhängig
vom eingesetzten Verhältnis zwischen Magnevist zu Wasser sind.
4.3.4. Einfluss verschiedener Parameter auf die Teilchengröße
Um
magnevisthaltige
Nanokapseln
verschiedener
Größen
herzustellen,
wurden
unterschiedliche Reaktionsparameter variiert. Zum einen wurde die Menge an Tensid, die
Ultraschalldauer sowie die Menge an Lipophob verändert.
Ziel war es, zu untersuchen, ob unterschiedliche Teilchengrößen einen Effekt auf die T1Relaxivität haben. In Tabelle 4.20. sind alle Ergebnisse dargestellt.
Als erstes wurde die Konzentration an Tensid variiert. In den bisher gezeigten
Synthesestrategien wurden 7,7 Gew-% Tensid im Verhältnis zur dispersen Phase eingesetzt.
Die Tensidkonzentration wurde sowohl erhöht (9,2 Gew-%) als auch verringert (6,5 Gew-%,
5,2 Gew-%).
144
4. Ergebnisse und Diskussion
Tab. 4.20. Magnevist®-haltige PUR-Nanokapseln unter Variation von Reaktionsparametern.
Probe
Tensid zur
dispersen Phase
(Gew-%)
US-Dauer
(min)
cap 57
9,2
cap 54
7,7
cap 55
6,5
cap 56
5,2
cap 58
7,7
cap 59
7,7
cap 60
7,7
cap 62
7,7
cap 63
7,7
* aus TEM-Aufnahmen bestimmt
3
3
3
3
1
6
10
3
3
Menge an
Lipophob (NaCl)
zur dispersen Phase
(Gew-%)
2
2
2
2
2
2
2
0
7
DI
(nm)
PDI
(DV/Dn)
FG
(%)
Hüllendicke
(nm)*
107
112
114
140
109
105
122
267
106
2,14
2,12
2,15
2,12
2,16
2,22
2,21
1,83
1,8
6,5
7,3
5,9
5,9
6,0
6,8
6,6
5,6
7,7
20 - 40
15 - 35
17 - 25
20 - 40
20 - 40
20 - 40
-
Wie aus Tabelle 4.20. ersichtlich, ändert sich der mittlere Teilchendurchmesser nur
unwesentlich mit sinkender Tensidmenge. Es werden Größen von 107 nm (9,2 Gew-%
Tensid) bis 140 nm (5,2 Gew-% Tensid) beobachtet.
TEM-Aufnahmen zeigen für höhere Tensidgehalte eine Filmbildung, in denen Nanokapseln
vorliegen (Abb. 4.70.a).
a
b
Abb. 4.70. TEM-Aufnahmen von Magnevist®-haltigen PUR-Nanokapseln unter Variation der Tensidmenge:
a) 9,2 Gew-% (cap 57) und b) 5,2 Gew-% (cap56).
Mit der Abnahme der Tensidkonzentration verringert sich die Dicke der Kapselhülle von 20 –
40 nm (7,7 Gew-%) auf 17 – 25 nm (5,2 Gew-%). Demnach reicht bereits eine geringe
Konzentration an amphiphilem Blockcopolymer (P(B/E-b-EO) aus, um die Kapseln aus der
kontinuierlichen Phase zu stabilisieren.
145
4. Ergebnisse und Diskussion
Auf Grund des geringen Einflusses der Tensidkonzentration auf die Partikelgröße wurde in
einem nächsten Schritt die Zeit der Ultraschallbehandlung variiert. Die Ultraschallzeit betrug
1, 3, 6 und 10 min. Bei direkten Miniemulsionen zeigt die Variation der Ultraschallzeit einen
Einfluss auf die Partikelgrößen; mit zunehmender Ultraschalldauer kommt es hier zu einer
Verkleinerung der Partikel
[20]
. Nun sollte untersucht werden, wie sich die Variation der
Ultraschalldauer auf die Größen von Magnevist®-haltigen Nanokapseln auswirkt. Wie in
Tabelle 4.20. zu erkennen, konnte durch Änderungen der US-Zeit keine Änderung in den
Partikelgrößen erhalten werden. Es wurden Größen zwischen 105 nm (6 min US) und 122 nm
(10 min US) gefunden. Das würde bedeuten, dass die minimale Kapselgröße bereits bei
geringen Ultraschallzeiten erreicht wird und eine Verlängerung der US-Dauer keine weitere
Änderung der Größen bewirkt. Die Nanokapseln zeigen jedoch hinsichtlich ihrer Morpholgie
Unterschiede (Abb. 4.71.).
Abb. 4.71. TEM-Aufnahme von Magnevist®-haltigen PUR-Nanokapseln mit 10 min US (cap 60).
Während beim verwendeten Standardrezept mit einer Ultraschalldauer von 3 min ovale bis
runde Kapselstrukturen mit Wanddicken von 23 bis 33 nm gefunden wurden (siehe Abb.
4.60.b, Tab. 4.13.), kommt es durch die Erhöhung der Schalldauer zu einem Aufbrechen der
Struktur (Abb. 4.71.). Ein Grund kann der Platzbedarf des Gadoliniumkomplexes im
Kapselinneren sein. Durch eine Erhöhung der US-Dauer kommt es zu einer zunehmenden
Verkleinerung der Tröpfchengröße. Da jedoch der Komplex auf Grund seiner Größe einen
bestimmten Platzbedarf hat, kann es mit steigender Tröpfchengrößenverkleinerung zum
Aufbrechen der Kapseln kommen.
146
4. Ergebnisse und Diskussion
Um die Teilchengrößen zu variieren, wurde in einem letzten Schritt die Konzentration an
Lipophob (NaCl) variiert.
In allen vorhergegangenen Proben wurden jeweils 2 Gew-% Natriumchlorid im Verhältnis
zur dispersen Phase verwendet. Hier wurden jetzt magnevisthaltige PUR-Nanopkapseln ohne
Zusatz des Lipophobs und mit Lipophob (7 Gew-% zur dispersen Phase) synthetisiert. Im
Vergleich zum Einsatz von 2 Gew-% NaCl zeigen magnevisthaltige PUR-Kapseln ohne
Lipophob eine Erhöhung der Partikelgröße von 112 nm (2 Gew-% NaCl, cap 54) auf 267 nm
(0 Gew-% NaCl, cap 62). Das heißt, dass der Einsatz des Lipophobs NaCl im Fall von
magnevisthaltigen
PUR-Kapseln
Teilchendurchmesser
führt.
nur
geringfügig
TEM-Aufnahmen
zu
zeigen
einer
statt
der
Verkleinerung
der
Ausbildung
von
Kapselstrukturen die Bildung von Filmmorphologien (hier nicht gezeigt). Wird die
Konzentration an Natriumchlorid erhöht, sollten die Kapseln stärker gegen den osmotischen
Druck stabilisiert sein und dadurch eine zusätzliche Verringerung der Partikelgrößen erfolgen.
Bei Magnevist®-haltigen PUR-Nanokapseln konnte dieser Trend jedoch nicht beobachtet
werden. Die Nanokapseln wiesen Größen von 106 nm (7 Gew-% NaCl) auf und sind damit
geringfügig kleiner als mit der normalerweise eingesetzten Menge an Lipophob (112 nm, 2
Gew-% NaCl). Das bedeutet, dass eine geringe Menge des Lipophobs NaCl in Kombination
mit der verkapselten Magnevist®-Lösung ausreicht, um die Ostwald-Reifung zu unterbinden.
Durch die Erhöhung des Lipophobs NaCl wird eine verringerte Ausbildung an Kapseln
erhalten. TEM-Aufnahmen zeigen eher Partikelstrukturen (Abb. 4.72.).
Abb. 4.72. TEM-Aufnahme von Magnevist®-haltigen PUR-Nanokapseln mit 7 Gew-% NaCl zur dispersen
Phase (cap 63).
147
4. Ergebnisse und Diskussion
Der Einfluss der Teilchengröße im Hinblick auf den Anteil an Lipophob (NaCl) wurde von
magnevisthaltigen PUR-Kapseln mit Größen von 160 und 260 nm mit Hilfe der
Magnetresonanztomographie untersucht (Abb. 4.73.).
25
®
Magnevist -Lösung
®
PUR-Nanokapseln mit Magnevist -Lösung,
DI = 160 nm
®
PUR-Nanokapseln mit Magnevist -Lösung,
DI = 260 nm
15
-1
1/T1 (sec )
20
10
-1 -1
R = 3.71 mM s
-1 -1
R = 4.02 mM s
5
-1 -1
R = 2.94 mM s
0
0
1
2
3
4
5
6
7
3+
Gd -Konzentration (mmol/L)
Abb. 4.73. Auftragungen von 1/T1 gegen die Gadoliniumionkonzentration zur Bestimmung der Relaxivitäten
unter Variation der Teilchengröße; Magnevist®-haltige PUR-Kapseln.
Werden die erhaltenen Relaxivitäten mit reiner Magnevist®-Lösung verglichen, so kann durch
die Variation des Lipophobs und der damit verbundenen unterschiedlichen Teilchengröße ein
Unterschied festgestellt werden. PUR-Kaspeln mit einem Durchmesser von 160 nm zeigen
dabei eine ähnliche Relaxivität wie die reine Magnevist®-Lösung, während bei Kapseln von
260 nm eine leichte Abnahme der Relaxivität zu erkennen ist.
Es wird angenommen, dass der Grund das unterschiedlich große Kapselvolumen ist (siehe
Abb. 4.74.). Bei einem kleineren Teilchendurchmesser besitzen die Kapseln ein kleineres
Volumen, dadurch haben die umgebenden Wasserprotonen einen kürzeren Austauschweg.
Mit der Vergrößerung der Kapsel erhöht sich gleichzeitig das Volumen der Kapsel. Dadurch
benötigen die Protonen einen längeren Weg zum Austausch und es kommt zu einer leichten
Absenkung der Relaxivität.
148
4. Ergebnisse und Diskussion
H
O
H
O
O
H
H
H
H
H
H
O
O
H
H
O
H
H
H
H
O
O
O
H
H
H
H
H
H
O
H
H
O
H
O
H
H
O
O
H
H
O
O
H
H
a)
H
H
H
b)
Abb. 4.74. Schematische Darstellung zur Erklärung der Relaxivitätsergebnisse von Magnevist®-haltigen
Nanokapseln unterschiedlicher Größe.
4.3.5. Variation des Kontrastmittels
Um die Konzentration an Kontrastmittel in den Nanokapseln zu erhöhen, wurde statt
Magnevist® das Kontrastmittel Gadovist® eingesetzt. Gadovist®-Lösungen sind in höheren
Konzentrationen (1 mmol Gd/ml) als Magnevistlösungen (0,5 mmol Gd/ml) erhältlich. Daher
wird es als extrazelluläres Kontrastmittel in Bereichen eingesetzt, in denen eine höhere Menge
an paramagnetischen Ionen zur Bildgebung nötig ist (z.B. zentrales Nervensystem).
Es wurden Polyurethankapseln mit unterschiedlichen Anteilen an Gadovist® synthetisiert. In
Tabelle 4.21. werden diese mit PUR-Kapseln ohne Kontrastmittel verglichen.
Tab. 4.21. Ergebnisse von Gadovist®-PUR-Nanokapseln.
Probe
Gew -% Verhältnis
Polymer:Gadovist®
cap 17
100:0
cap 75
30:70
cap 74
30:70
* aus TEM-Aufnahmen bestimmt
Gadovist®: H2OVerhältnis (Gew-%)
0
50:50
100:0
DI
(nm)
330
134
313
PDI
(DV/Dn)
2,0
2,0
4,9
FG (%)
3,0
6,0
8,2
Hüllendicke
(nm)*
16 - 26
8 - 30
20 - 40
Bei einem Anteil von 50 Gew-% Gadovist®-Lösung als Kernmaterial wird im Vergleich zu
wasserhaltigen PUR-Kapseln eine Erniedrigung der Teilchengröße von 330 nm auf 134 nm
beobachtet. Durch den Einsatz von 100 Gew-% Gadovist®-Lösung werden Nanokapseln mit
Größen von 313 nm erhalten. Die Erhöhung resultiert aus dem erhöhten Anteil an
Gadoliniumkomplex im Kern.
Diese Ergebnisse spiegeln sich auch in den bestimmten Wanddicken der Kapseln wieder. Die
erhöhten Feststoffgehalte mit Gadovist® deuten genau wie im Fall von Magnevist® daraufhin,
dass der Gadoliniumkomplex tensidische Eigenschaften besitzt.
149
4. Ergebnisse und Diskussion
TEM-Aufnahmen zeigen Unterschiede hinsichtlich des Gadovist®-Anteils (Abb. 4.75.).
a
b
Abb. 4.75. TEM-Aufnahmen von PUR-Nanokapseln mit a) 50 Gew-.% Gadovist®-Lösung (cap 75) und
b) 100 Gew-% Gadovist®-Lösung (cap 74).
Bei beiden Gadovist®-Konzentration werden PUR-Nanokapseln unterschiedlicher Größen mit
dünnen Kapselhüllen gefunden. Sowohl bei der Verkapselung von reinem Wasser als auch
der wässrigen Gadovist®-Lösung werden mittlere Teilchendurchmesser von 310 bis 330 nm
erhalten. Durch die Erhöhung des Gadovistanteils kann eine Verdickung der Kapselhülle von
16 – 26 nm (ohne Gadovist®) auf 20 – 40 nm (100 Gew-% Gadovist®) beobachtet werden.
Das heißt, dass genau wie unter Verwendung des Kontrastmittels Magnevist® der hydrophile
Gadoliniumkomplex im Kaspelinneren und an der Polymerhülle vorliegt. Eine Erniedrigung
des Kapseldurchmessers durch den Einsatz des Komplexes erfolgt hier auf Grund der höheren
Konzentration an Gadoliniumkomplex im Kontrastmittel nicht.
Im nächsten Schritt wurden PUR-Nanokapseln mit einem Gewichtsanteil von 100 Gew-%
Gadovist®-Lösung mittels Magnetresonanztomographie hinsichtlich der T1-Relaxivität des
Gadoliniumions untersucht (Abb. 4.76.).
150
4. Ergebnisse und Diskussion
24
22
®
Gadovist -Lösung
®
PUR-Kapsel mit Gadovist -Lösung
20
18
14
-1
1/T1 (sec )
16
12
10
8
-1 -1
R = 3.47 mM s
6
-1 -1
R = 3.57 mM s
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
3+
Gd -Konzentration (mmol/l)
Abb. 4.76. Auftragungen von 1/T1 gegen die Gadoliniumionkonzentration zur Bestimmung der Relaxivitäten
®
mit dem Kontrastmittel Gadovist ; PUR-Kapseln.
Durch die Verkapselung des Kontrastmittels in einer Polyurethanhülle wird im Vergleich zum
Kontrastmittel Gadovist® ein ähnlicher Wert der T1-Relaxivität erhalten. Dadurch konnte
gezeigt
werden,
dass
die
Verkapselung
anderer
Kontrastmittel
mit
höheren
Gadoliniumkonzentrationen möglich ist.
Durch diese Ergebnisse kann festgestellt werden, dass neben dem bisher verwendeten
Kontrastmittel Magnevist® auch andere Kontrastmittel wie Gadovist®, welche eine höhere
Konzentration an Gadolinium aufweisen, in polymere Hüllen eingekapselt werden können.
151
5. Zusammenfassung
Kapitel 5.
Zusammenfassung
In der Wissenschaft beginnt alles Neue damit, dass jemand brummt
„Hmmm…ist ja komisch“.
(Issac Asimov)
Mit Hilfe der Miniemulsionstechnik ist es möglich, Polyurethanfilme in wässrigem Medium
herzustellen,
Selbstorganisationsprozesse
von
anorganisch-organischen
Nanohybrid-
materialien, sowie die Funktionalisierung derer Partikeloberfläche für biologische
Anwendungen zu untersuchen, und kontrasthaltige Nanokapseln in Hinblick auf ihren
Einfluss auf die Relaxivität von Protonen zu analysieren.
Stabile Polymerdispersionen in wässrigen Medien konnten durch die Verwendung des
direkten Miniemulsionsprozesses erhalten werden. Es wurden zwei unterschiedliche
Dispersionsarten synthetisiert und hinsichtlich ihrer Filmbildung untersucht. In System A
wurde die Reaktion des Acrol Polyol PPG 2000 mit verschieden eingesetzten Diisocyanaten
durchgeführt. Dem System B wurde neben dem Polyol, Desmophen VP LS 2391, als
Monomer eine Fluorkomponente, FBB, zur Steigerung der Hydrophobie der zu erhaltenden
PUR-Filme zugesetzt. Der Filmbildungsprozess wurde anhand der Optimierung seiner
Parameter untersucht. Hierzu wurden das Diisocyanat und das NCO/OH-Verhältnis variiert
und eine Kettenverlängerung der Polymermoleküle durch Einsatz von Ethylendiamin
erhalten.
Es zeigte sich, dass stabile Dispersionen beider Systeme mit den Diisocyanaten IPDI und TDI
erhalten wurden. Der Einsatz des aliphatischen HMDI bewirkte ein Brechen der Dispersion.
Die erhaltenen Teilchengrößen lagen im Bereich von 200 bis 300 nm (IPDI) und 400 bis 600
nm (TDI). Der Grund für die Partikelvergrößerung unter Einsatz von TDI ist auf dessen
aromatischen Charakter und die dadurch bedingt erhöhte Reaktivität zurückzuführen.
152
5. Zusammenfassung
REM-Aufnahmen weisen auf den hohen Einfluss der eingesetzten Fluorkomponente (System
B) hin. Während für System A (ohne Fluorkomponente) die Ausbildung von länglichen
Gebilden, in denen vereinzelt Partikel eingelagert sind, bevorzugt ist, zeigen Dispersionen des
Systems B eine erhöhte Ausbildung von sphärischen Teilchenstrukturen mit rauhen
Oberflächen, welche vor allem bei Verwendung von TDI auffällig ist.
Die Oberflächenmorpholgien der Systeme wurden durch AFM-Untersuchungen analysiert.
Durch die Bestimmung von RMS-Werten, welche die Rauhigkeit der Probe beschreiben,
werden im Fall beider Systeme höhere Filmrauhigkeiten von mit TDI hergestellten
Dispersionen gefunden.
Ein Vergleich beider Systeme unter Variation des Verhältnisses zwischen Diisocyanat- und
Polyolkomponente (2:1, 1:1) hinsichtlich ihrer Teilchengröße, Molekulargewichte und
Glasstemperaturen weist auf einen starken Einfluss der Fluorkomponente hin. Dispersionen
des Systems B zeigen sowohl mit IPDI als auch mit TDI höhere Teilchengrößen, höhere
Molekulargewichte und Glassübergänge bei geringeren Temperaturen als Dispersionen des
Systems A. TEM-Aufnahmen zeigen Kernschale- und hemisphärische Morphologien, in
welchen die Fluorkomponente nicht homogen im Polyurethan eingebaut wurde.
Kontaktwinkelmessungen wurden durchgeführt, um die Oberflächenbeschaffenheit der PURFilme näher zu analysieren. Hierzu wurden sowohl mit System A als auch mit System B
statische Kontaktwinkel mit den Medien Wasser und Hexadekan gemessen. Die
Untersuchung von Filmen des Systems A erwies sich als äußerst schwierig, da bereits direkt
nach Auftragung eine Spreitung der Medientröpfchen beobachtet wurde.
Die Aufragung von polaren bzw. unpolaren Tropfen auf hydrophobisierte PUR-Filme des
Systems B unter Einsatz von IPDI wies auf eine partielle Benetzung hin. Dispersionen,
welche mit TDI synthetisiert wurden, zeigen eine Erniedrigung der Kontaktwinkel bei
Auftragung von polaren Tropfen und bei unpolaren Tropfen ähnliche Kontaktwinkel wie mit
IPDI. Sie zeigen also oleophobes Verhalten. Die verschiedenen Benetzungsverhalten sind
abhängig vom Verhältnis von Urethan zu Harnstoff.
153
5. Zusammenfassung
Das
zweite
Teilprojekt
beschäftigte
sich
mit
der
Untersuchung
des
Selbstorganisationsprozesses von lanthanidhaltigen Polymernanopartikeln.
Hierzu
wurden
verschiedene
Reaktionsparameter
(Monomer,
Monomer:Komplex-
Molverhältnis, Lanthanidion etc.) variiert. In Anlehnung an frühere Arbeiten wurde das
Hauptaugenmerk auf die Heterophasenpolymerisation von Laurylmethylacrylat (LMA) unter
Einbringung des Lanthanidkomplexes Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat),
Gd(tmhd)3, gelegt.
Um den Prozess der Selbstorganisation verstehen zu können, wurden PLMA- sowie
gadoliniumhaltige PLMA-Nanopartikel (Molverhältnis LMA:Komplex 50:1) miteinander
verglichen. Der Einsatz von Gd(tmhd)3 resultiert in einer Erhöhung der Partikelgrößen.
Untersuchungen der Teilchenmorphologien waren nur von Gd3+-haltigen PLMA-Partikeln auf
Grund der höheren Elektronendichte des Gadoliniumkomplexes möglich. Diese zeigen
geöffnete Strukturen, welche aus lamellaren Schichten mit Abständen von ca. 4 nm bestehen.
Analysen von aufgenommenen Weitwinkelröntgenstreuung-Diffraktogrammen (WAXS)
zeigen, dass Organisationsvorgänge zwischen dem anionischen Tensid SDS und dem
Gadoliniumkomplex stattfinden. Untersuchungen mit Kleinwinkelstreuung (SAXS) weisen
einen Reflex bei 2θ = 2,28° auf, aus welchem mittels der Bragg-Gleichung ein Schichtabstand
von 3,87 nm bestimmt werden konnte. Da in der Synthesestrategie eine Konzentration von 30
Gew-% an SDS bezogen auf die disperse Phase eingesetzt wurde, kann davon ausgegangen
werden, dass die lamellaren Schichten auf eine geordnete Anordnung der Tensidmoleküle in
Kombination mit den Polymermolekülen zurückzuführen sind. Da ein SDS-Molekül eine
Größe von ca. 2,5 nm besitzt, liegen die Tensidmoleküle in einer verzahnten Anordnung vor.
Durch SQUID-Analysen konnte das paramagnetische Verhalten des reinen Komplexes und
des Komplexes eingebracht in die Polymerpartikel bewiesen werden. In beiden Fällen wird
das Curie-Gesetz erfüllt (Auftragung 1/paramagnetische Suszeptibilität gegen die
Temperatur). Hinsichtlich des Kurvenverlaufs und der reziproken Suszeptibilität können
Unterschiede zwischen dem Komplex und dem Komplex in einer PLMA-Matrix beobachtet
werden. Es wird eine deutliche Erhöhung der erhaltenen Werte für 1/χpara von 50 für den
Komplex auf bis zu 1000 für den verkapselten Komplex gefunden. Daraus resultiert eine sehr
geringe Paramagnetisierung für gadoliniumhaltige PLMA-Partikel. Diese ist auf die
Strukturierung der Polymerpartikel zurückzuführen und wurde durch Analyse von
gadoliniumhaltigen Polystyrol- und Polyacrylnitrilpartikeln in Kombination mit Butylacrylat,
bewiesen.
154
5. Zusammenfassung
Es
werden
unter
Verwendung
des
Monomers Styrol
reziproke
paramagnetische
Suszeptibilitäten von bis zu 275 und unter Einsatz von Acrylnitril von bis zu 70 gefunden.
Die unterschiedlichen Werte im Vergleich zu Gd3+-PLMA-Partikel sind auf die
unterschiedlichen Partikelmorphologien zurückzuführen. Dispersionen mit Styrol zeigen
sowohl vereinzelt strukturierte Teilchen als auch sphärische Morphologien. Im Fall von
Acrylnitril wurden lediglich deformierte runde Strukturen erhalten. Demnach wirkt sich der
Strukturierungsprozess auf die magnetischen Eigenschaften des Materials aus. Ein hoher Grad
an
Selbstorganisation
bedeutet
eine
Abnahme
des
paramagnetischen
Verhaltens
(PLMA>PS>PAN/PBA).
Durch Auftragung des magnetischen Moments gegen die Temperatur konnte für den
Gadoliniumkomplex
ein
magnetisches
Moment
von
7,3
μb bestimmt
werden.
Gadoliniumhaltige PLMA-Partikel zeigen eine Abnahme des magnetischen Moments mit
zunehmender Temperatur. Der Grund kann in einer durch die Strukturierung erfolgten
Änderung der Komplexkoordinationsstruktur liegen. Auch ist es möglich, dass statt
intermolekularer Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Gadoliniumzentren der
Komplexe intramolekulare Wechselwirkungen zwischen den Gadoliniumionen und den
komplexierten Tensidmolekülen vorliegen.
Des Weiteren erfolgte die Variation der Tensidart. Nur durch den Einsatz der anionischen
Tenside Natriumdodecylsulfat (SDS) und Natriumoctadecylsulfat (SOS) wurde eine
Strukturierung der Nanopartikel beobachtet. SAXS-Messungen von Dispersionen mit dem
Tensid SOS ergeben größere Schichtabstände (5 nm). Die Erhöhung kann durch die längere
Seitenkette des Tensides SOS erklärt werden. In Analogie zum Fall von SDS kommt es zu
einer verzahnten Anordnung der Tensidmoleküle in Kombination mit den Polymermolekülen.
Ebenfalls wurde das Molverhältnis zwischen LMA und Gd(tmhd)3 von 50:1 auf bis zu 2:1
verändert. Durch die Steigerung des Komplexanteils in den Partikeln wird ein Wechsel von
offenen zu geschlossenen Morphologien erhalten.
Morphologieänderungen konnten auch durch einen Wechsel des Monomers beobachtet
werden. Im Fall von Methylacrylaten werden sphärische Partikel mit Schichtenbildung am
äußeren Partikelrand (PBMA) und bis in den Kern (PMMA) gefunden. Gadoliniumhaltige
Polystyrolteilchen weisen sowohl strukturierte als auch runde Partikel auf. Die Kombination
AN/BA (80:20) führt zu einer Ausbildung von deformierten nichtstrukturierten Partikeln.
Um den Einfluss des Lanthanidions auf den Strukturierungsprozess zu untersuchen, wurden
statt Gd(tmhd)3-Komplexe, Komplexe mit den Metallzentren Europium, Samarium,
Holmium, Ytterbium und Dysprosium eingesetzt.
155
5. Zusammenfassung
Die Variationen führten in Analogie zu Gd3+ zur Ausbildung von strukturierten anorganischen
Polymerteilchen. Die paramagnetischen Eigenschaften von Ho3+- und Dy3+-Systemen wurden
mittels SQUID nachgewiesen.
Die Variation des Komplexliganden von Gd(tmhd)3 führte zu einem vollständigen Verlust der
Strukurierung. Trotzdem war es möglich, unterschiedliche Komplexarten in eine polymere
Matrix einzubringen. In Kooperation mit der RWTH Aachen (Prof. Albrecht) wurden helikale
Bis(β-diketon)-Europiumkomplexe in Polymerpartikel eingebaut, um deren fluoreszierenden
Charakter zu erhöhen.
Eine Funktionalisierung der Partikeloberfläche mit Carboxylgruppen wurde als Modellsystem
im Hinblick auf eine spätere Kopplung mit Biomolekülen entwickelt. Unter Variation des
Monomers können bis zu 30 Gew-% an Acrylsäure in die Dispersionen eingebracht werden,
welche in einer Oberflächenfunktionalisierung der Partikel von bis zu 1.38 [COO-]-Gruppen
pro nm2 resultiert. Mit steigender Konzentration an hydrophiler Acrylsäure kam es zum
Verlust der Partikelstrukturierung. Um das Potential von carboxylfunktionalisierten Teilchen
zu zeigen, wurden abschließend fluoreszierende Systeme (unter Verwendung von PMI) zum
Einbringen
in
Mesenchymale
Stammzellen
(MSCs)
synthetisiert.
Es
wurden
gadoliniumhaltige PLMA-Partikel mit unterschiedlicher Konzentration an Acrylsäure (0
Gew-%, 15 Gew-%, 25 Gew-%) untersucht. Durch Untersuchungen mit konfokaler LaserScanning-Mikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie konnte gezeigt werden, dass
die Nanopartikel ausschließlich in den Zellorganellen in den Zellen vorliegen.
Gadoliniumverbindungen zeigen auf Grund ihres paramagnetischen Verhaltens vor allem auf
dem medizinischen Gebiet Anwendung. Sie stellen dabei Kontrastmittel dar, die in der
digitalen Bildgebung zur Differenzierung von Körpergeweben, wie beispielsweise Muskeln
und Blutgefäßen, welche ähnliche Signalintensitäten in der Magnetresonanztomographie
(MRT) aufweisen, eingesetzt werden. Hydrophile Gadoliniumverbindungen stellen dabei
positive Kontrastmittel dar, welche die T1-Relaxationszeiten beeinflussen und dadurch das
Gewebe heller erscheinen lassen. Somit war es von Interesse, hydrophile Gadoliniumchelate
in poröse Polymerhüllen einzukapseln, um eine Erhöhung der Relaxivitäten mit gleichzeitiger
Herabsetzung der im Körper nötigen Kontrastmittelmenge zu erzielen.
Dazu wurde der inverse Miniemulsionsprozess gewählt und als Kontrastmittel das bereits in
der MRT eingesetzte Magnevist® und das sich in der klinischen Testphase befindende
Gadovist® verwendet.
156
5. Zusammenfassung
Der Schwerpunkt lag dabei auf der Synthese von gadoliniumhaltigen PUR-Nanokapseln
durch Grenzflächenaddition.
Bei Verwendung eines gadoliniumhaltigen Kerns konnten Kapselgrößen von 120 nm
gefunden werden. Diese sind dabei kleiner als bei der Verwendung von reinem Wasser, was
auf tensidische Eigenschaften des Lanthanidkomplexes zurückzuführen ist. Auf Grund der
geringen Änderung der Oberflächenspannung des Wassers durch Einbringen des hydrophilen
Gadoliniumkomplexes zeigt dieser dabei nur in Kombination mit dem amphiphilen
Blockcopolymer
Poly[(ethylen-co-butylen)-b-(ethylenoxid)],
(P(B/E-b-EO),
tensidische
Wirkung. Um die Anwendungsmöglichkeiten von Gd3+-haltigen Nanokapseln zu bestätigen,
wurden Untersuchungen hinsichtlich ihres Protonenaustausches im MRT untersucht. Hierzu
wurden die in inversen Miniemulsionen hergestellten Nanokapseln in Wasser redispergiert
und anschließend die T1-Relaxationszeiten zur Bestimmung der T1-Relaxivität in
verschiedenen Gd3+-Verdünnungen vermessen.
Es kam zu einem Diffusionsstrom der Wasserprotonen aus der umgebenden Wasserphase
durch die poröse PUR-Hülle, welche zu ähnlichen T1-Relaxivitäten führte.
Um jetzt das Potential von kontrastmittelhaltigen Nanokapseln in der Medizin zu
verdeutlichen, wurden Untersuchungen unter physiologischen Bedingungen (isotonische
NaCl-Lösung, Jonasteril®BAS Lösung, menschliches Blut) durchgeführt. In allen Fällen
konnten ähnliche Relaxivitätswerte wie für unverkapselte Komplexe erhalten werden.
Die Dicke der Polymerhülle kann unter der Veränderung des Verhältnisses zwischen der
Diol- und der Diisocyantkomponente variiert werden. MRT-Experimente zeigen eine
Abnahme der T1-Relaxivität der Protonen mit zunehmender Polymerhüllendicke. Eine
Vergrößerung der PUR-Schicht führt auf Grund deren Kompaktheit dazu, dass die Protonen
kaum in den gadoliniumhaltigen Kern vordringen können und dadurch die Relaxivität
herabgesetzt wird.
Neben PUR-Hüllen wurden auch Polyharnstoff und vernetztes Dextran als Hüllenmaterial
verwendet. Mit beiden Polymeren wurde durch Einsatz von Kontrastmitteln eine Abnahme
der Kapselgröße im Vergleich zu reinen Wasserkernen und gleichzeitig eine geringe
Erhöhung der Kapselhüllendicke erhalten.
Untersuchungen im MRT unter Verwendung einer bioabbaubaren Dextranhülle zeigen eine
leichte Erniedrigung der T1-Relaxivität. Trotzdem kann festgehalten werden, dass analog zu
PUR-Kapseln hier ein Wasseraustausch durch die poröse Polymerhülle möglich ist.
157
5. Zusammenfassung
Die Variation verschiedener Reaktionsparameter (Tensidkonzentration, Ultraschalldauer,
Menge an osmotischem Reagenz) diente der Synthese von gadoliniumhaltigen Nanokapseln
unterschiedlicher Größe. Lediglich die Variation der Menge an osmotischem Reagenz führt
zu
einer
Veränderung
der
Teilchengrößen
und
einer
geringen
Erhöhung
der
Kapselhüllendicke.
Es konnten auch Gadovist®-haltige PUR-Nanokapseln synthetisiert werden, welche im
Vergleich zur Gadovist®-Lösung ähnliche T1-Relaxivitäten zeigten.
158
6. Summary
Kapitel 6.
Summary
A great pleasure in life is doing what people say you cannot do.
(Walter Bagehot)
In this work, the syntheses of film-forming polymer nanoparticles and rare earth
nanocomposite materials using miniemulsion technique were described. In detail, the
preparation of polymeric films obtained from polyurethane (PU), the self organization
processes and the functionalization of the surface of lanthanide nanoparticle to be used as
biomedical transporter, and the synthesis of nanocapsules containing contrast agents for
medical diagnostic applications were presented.
In the first subpart, a method was developed to produce stable dispersions through
polyaddition reaction. Two systems were prepared: System A – comprising of polyaddition
between Polyol PPG 2000 and diisocyanates and System B – comprising of addition of a
fluorocompound (FFB) to increase the hydrophobicity of PUR-films.
The influence of the kind of diisocyanate, the NCO/OH-ratio and the variation of the film
properties by addition of a chain extender were studied.
It was found that, the stability of the miniemulsion depends on the nature of the diisocyanate
compound. The use of IPDI and TDI led to stable dispersions, while, with the use of the
aliphatic disocyanate, HMDI, no stable polyurethane dispersions were obtained.
The particle sizes were in the range of 200 to 300 nm for IPDI and 400 to 600 nm for TDI
containing systems. The reason for the increase in particle size could be attributed to the
higher reactivity of the aromatic diisocyanate, TDI.
159
6. Summary
The influence of FBB compound in System B, lead a pronounced effect on the particle size,
molecular weights and glass transition temperatures.
The surface studies of the polyurethane films were performed using static contact angle
measurements using water and hexadecane as medias. System A showed an instantaneous
wetting of the media droplets (water and hexadecane) on the surface, while, this effect was
excluded in System B to the presence of FBB compound. The use of IPDI led to the formation
of hydrophobic films, while TDI resulted in hydrophilic films. The reason for the different
wetting behaviours was that, the ratio between urethane and urea groups formed. Two model
systems were developed. Model 1 describes the situation with TDI, where the ratio is in
benefit to urethane formation and a core-shell structuring of the particle was obtained. In
Model 2 with IPDI more urea groups compared to urethane groups were obtained. The
particle morphology was changed to hemispherical structures.
The second subpart deals with the synthesis of inorganic hybrid materials. The preparation of
onion-like structured particles using inorganic hydrophobic lanthanide complexes such as
Gd(III)(tmhd)3 in combination with different monomers were studied. By the variation of
different parameters: molar ratio between monomer and complex, type and concentration of
the surfactant and monomer, ligand and lanthanide ion, structured particles of size range from
50 to 200 nm could be obtained. Extending the previous work the heterophase polymerization
of laurylmethyl acrylate (LMA) with the addition of gadolinium tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5heptanedionate), Gd(tmhd)3 complex was extensively studied.
At first PLMA- and gadolinium content, PLMA nanoparticle (molar ratio 50:1) were
synthesized and compared. Due to the addition of the gadolinium complex, the particle size
increased. Because of the higher electron density of Gd(III), TEM analysis were possible only
with lanthanide dispersions. The particles show open structures, which consists of lamellar
layers with distances of app. 4 nm. From WAXS analyses it was found that, the layers are
mainly from crystallization between SDS and gadolinium.
The SAXS measurements confirmed this and with help of the Bragg-equation a layer distance
of 3.87 nm could be calculated.
Since in the synthesis strategy, as 30 wt-% of SDS compared to the dispersed phase was used,
which is beyond the critical micelle concentration (cmc), the lamellar formation was built
from the surfactant molecules in combination with the polymer molecules.
160
6. Summary
Since one SDS-molecule shows a size of 2.5 nm, an interdigitated arrangement of the
surfactant molecules could have occurred.
The analysis with SQUID magnetometer confirms the paramagnetic behaviour of gadolinium.
To prove the Curie-law, the reciprocal susceptibility against the temperature was plotted. Due
to the embedding of the complex in the polymeric matrix, the values for 1/χpara increased,
which corresponds to a low paramagnetic behaviour of gadolinium. The reason could be
attributed to the self organisation of the particles. With the change of the monomer to styrene
and acrylonitrile, in combination with butyl acrylate, the layer formation and the values for
the 1/χpara decreased, while, the paramagnetic behaviour of gadolinium was increased. The
gadolinium complex has a magnetic moment of ~ 7.3 μb. As a consequence of encapsulation
in a polymer matrix along with other factors such as the variation of nature and concentration
of surfactant, monomer and molar ratio, the number of unpaired electrons decreased. The
reason could be that, there could be a change in the coordination structure of the complex or
due to the intramolecular interactions between the gadolinium atom and the bound functional
groups of the surfactant and monomer.
The variation of the type of surfactant demonstrates self organization processes is possible
only with the anionic surfactants sodium dodecyl sulphate (SDS) and sodium octadecyl
sulphate (SOS). In the case of SOS, due to SAXS-measurements a layer distance of app. 5 nm
was calculated. Like in the case of SDS, an interdigitated arrangement of the surfactant
molecules could have occured and the increase of the layer distance could be due to longer
chain length of the SOS. It was also found that, a decrease of the SDS concentration, resulted
in a decrease in the number of layers.
With the variation of the molar ratio between the monomer (LMA) and complex, a higher
amount of gadolinium compound leads to an increase of the particle sizes and number of
layers.
The influence of the nature of the monomer to the layer building process was investigated.
Acrylic monomers led to the formation of structured nanoparticles. The use of the
vinylmonomer styrene resulted in the building of two kinds of species - structured micelles
and spherical polystyrene particles consisting gadolinium complex. Acrylonitrile as monomer
produced stable dispersions of deformed nonstructured inorganic polymeric particles.
In analogy to Gd3+- dispersions, different rare earth metals (oxidation state 3+) showed the
formation of layered nanoparticles. Magnetic measurements prove the paramagnetic
properties of the lanthanide ions Dy3+ and Ho3+ by satisfying the Curie law.
161
6. Summary
The lanthanide ions holmium and dysprosium have a magnetic moment of 10 μb and 10.5 μb.
Also here, decreased magnetic moments with encapsulation as in the case of gadolinium were
observed.
The change of the complex ligand showed that, the self organization like an onion like
structure was possible only with the use of the ligand tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5heptanedionate). Neverless, the encapsulation of different metallic compounds in the
polymeric matrix were possible with the help of the miniemulsion process. The cooperation
with the group of Prof. Albrecht of the RWTH Aachen, where, helical bis(β-diketone)europium complexes were encapsulated, led to an increase of the fluorescence behaviour.
The functionalization of the particle surfaces of such inorganic-organic nanocomposites were
done as a model system for coupling reactions with biomolecules, such as proteins or
antibodies. Here, carboxyl functionalized particles with the help of acrylic acid were
synthesized. It was observed that, the amount of carboxylic groups on the particle surface
depends on the monomer compound. With the methyl acrylate groups, the increase of the side
chain led to the incorporation of a higher amount of acrylic acid (LMA>BMA>MMA). To
show the high potential of functionalized rare earth nanoparticles, a fluorescence dye in
addition was used to study the behaviour in cells (mesenchymale stem cells). The cell uptake
was studied for PLMA particles containing gadolinium complex. It was found that the
nanoparticles were present only inside the cells.
The third subpart deals with the encapsulation of hydrophilic gadolinium complexes, like
Magnevist® and Gadovist®, which are normally used as contrast agents in medical diagnosis,
with polymeric shell coverage. The influence of encapsulation of complexes on the relaxivity
was studied.
The main focus was to study the properties of polyurethane nanocapsules synthesized via
interfacial polycondensation reaction with diol (monomer 1) and diisocyanate (monomer 2).
PU nanocapsules with water and contrast agent core were compared. A decrease of the
particle size with the addition of gadolinium complex was obtained. It was also found, that,
the hydrophilic complex can influence the surface tension of water as a result of this, the
gadolinium complex functions also as a co surfactant in the presence of the amphiphilc
blockcopolymer Poly[(ethylen-co-butylen)-b-(ethylenoxid)], (P(B/E-b-EO).
To show the high potential medical application of encapsulated contrast agents, measurements
using MRI were performed.
162
6. Summary
Therefore the nanocapsules, which were synthesized in an organic solvent, were transferred
by redispersion to an aqueous system. Due to the porous polymeric shell, a proton exchange
and a similar relaxivity to the Magnevist® solution were found.
The T1 relaxivitiy was found to be dependent on the thickness of the polymer shell and the
diameter. Measurements simulating physiological conditions (isotonic NaCl solution,
Jonasteril®BAS solution, human blood) were performed. In all cases, the proton exchange
could be determined.
The thickness of the polyurethane shell was studied by varying of the amount on 1,6hexanediol (monomer 1). With the increasing amount of the diol, the capsule sizes and
therefore the shell thickness increased. The polymeric shell was extended to polyurea and
crosslinked dextrane. In analogy to PU nanocapsules, MRT measurements for dextrane
nanocapsules showed T1 relaxivity similar to the Magnevist® solution.
To vary the sizes of the capsules, different parameters were checked out (surfactant
concentration, ultrasonication time, concentration of osmotic reagent). Only the variation of
the concentration of the osmotic reagent resulted in a considerable change in capsule sizes and
wall thickness.
163
7. Experimenteller Teil
Kapitel 7.
Experimenteller Teil
Every experiment proves something.
If it doesn’t prove what you wanted it to prove, it proves something else.
(Prof. Anon)
7.1. Synthese PUR-Dispersionen
Die Polyole Arcol Polyol PPG 2000 und Desmophen VP LS 2391 sowie die Fluorverbindung
FBB wurden ohne weitere Aufbereitung von der Degussa AG (Hanau) erhalten. Ebenfalls
ohne weitere Aufreinigung wurden eingesetzt: Isophorondiisocyanat (IPDI, Fluka),
Hexamethylendiisocyanat (HMDI, Fluka), Natriumdodecylsulfat (SDS, Alfa Aesar),
Hexadekan (HD, Merck), Dibutylzinndilaurat (DBTDL, ABCR), Ethylendiamin (Merck), 1,4Butandiol (Aldrich). 2,4-Toluoldiisocyanat (TDI, Fluka) wurden vor Gebrauch unter Vakuum
destilliert. Demineralisiertes Wasser wurde für alle Experimente verwendet.
In System A wurde die Reaktion zwischen dem industriellen Arcol Polyol PPG 2000 mit
verwendeten Diisocyanaten durchgeführt. Im System B wurde dem Polyol Desmophen VP
LS 2391 eine Fluorkomponente, FBB, zur Erhöhung der Hydrophobie der PUR-Filme
zugesetzt.
164
7. Experimenteller Teil
PUR-Nanopartikel mit den Isocyanaten IPDI und HMDI
Arcol Polyol PPG 2000 (für System A) und Desmophen VP LS 2391 und FBB
(Gewichtsverhältnis 80:20) (für System B) und die Diisocyanatkomponente (IPDI, HMDI)
wurden bei Raumtemperatur zu einer wässrigen Tensidlösung (0,1 g SDS in 36 g Wasser)
bestehend aus 0,3 g Hexadekan und 0,4 g 1,4-Butandiol zugegeben. Nach 1 h Rühren wurde
die Miniemulsion unter Eiskühlung mittels Ultraschallbehandlung durch einen Branson
Sonifier W450 digital homogenisiert (2 min, 70% Amplitude, Tip 13 mm). Die Polyaddition
erfolgte nach Zugabe von 0,1 g des Katalysators DBTDL bei 60 °C für 12 h.
Die exakten Mengen an Polyol und Diisocyanat sind für die jeweiligen Verhältnisse in
Tabelle 7.1. dargestellt.
PUR-Nanopartikel mit dem Isocyanat TDI
Arcol Polyol PPG 2000 (für System A) und Desmophen VP LS 2391 und FBB
(Gewichtsverhältnis 80:20) (für System B) und das TDI (Mengen siehe Tabelle 7.1.) wurden
unter Eiskühlung vermischt. Zu dieser gekühlten Mischung wird eine gekühlte wässrige
Tensidlösung bestehend aus SDS (0,1 g), Wasser (36 g), Hexadekan (0,3 g) und 1,4-Butandiol
(0,4 g) zugegeben. Wegen der hohen Reaktivität von TDI wurde die Mischung nicht 1 h
gerührt, sondern mittels eines IKA Ultraturrax (50-2000 rev/min-1) für 30 s miniemulgiert.
Die Miniemulgierung wurde anschließend mit einem Branson Sonifier W450 digital (30 s,
70% Amplitude, Tip 13 mm) durchgeführt. Die Polyaddition erfolgte nach Zugabe des
Katalysators DBTDL (0,1 g) bei 60 °C für 12 h.
Kettenverlängerte PUR-Nanopartikel mit dem Isocyanat IPDI
Arcol Polyol PPG 2000 (für System A) und Desmophen VP LS 2391 und FBB
(Gewichtsverhältnis 80:20) (für System B) und die Diisocyanatkomponente IPDI wurden bei
Raumtemperatur zu einer wässrigen Tensidlösung (0,1 g SDS in 36 g Wasser) bestehend aus
0,3 g Hexadekan und 0,4 g 1,4-Butandiol zugegeben. Nach 1 h Rühren wurde die
Miniemulsion unter Eiskühlung mittels Ultraschallbehandlung durch einen Branson Sonifier
W450 digital homogenisiert (2 min, 70% Amplitude, Tip 13 mm). Die Polyaddition erfolgte
nach Zugabe von 0,1 g des Katalysators DBTDL bei 60 °C für 12 h.
165
7. Experimenteller Teil
Zur Kettenverlängerung wurde 0,3 g Ethylendiamin bei unterschiedlichen Reaktionszeiten
(nach 1 h, 4 h, 6 h Polyaddition) zugegeben.
Die exakten Mengen an Polyol und Diisocyanat sind für die jeweiligen Verhältnisse in
Tabelle 7.1. dargestellt.
Tabelle 7. 1. Monomerzusammensetzung für PUR-Dispersionen unter Variation des NCO/OH-Verhältnisses.
NCO/OHVerhältnis
2:1
1:1
2:1
1:1
System A
Arcol Polyol PPG
2000 (g)
6,9
6,9
6,9
6,9
System B
IPDI (g)
TDI (g)
2,9
1,7
-
2,7
1,0
Desmophen VP
LS 2391 (g)
5
5
5
5
FBB (g)
IPDI (g)
TDI (g)
1
1
1
1
3,8
1,5
-
2,9
1,4
7.2. Herstellung strukturierter Lanthanidnanopartikel
Die Lanthanidkomplexe Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat), Gd(tmhd)3,
Mw=710,18
g/mol,
Europiumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat),
Eu(tmhd)3,
Mw=701,78
g/mol,
Samariumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat),
Sm(tmhd)3,
Mw=700,11
g/mol,
Holmiumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat),
Ho(tmhd)3,
Dysprosiumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat),
Dy(tmhd)3,
Mw=714,45
g/mol,
Mw=712,31 g/mol, und Ytterbiumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat), Yb(tmhd)3,
Mw=722,86 g/mol, wurden ohne weitere Reinigung von Strem verwendet. Die Monomere
Butylmethacrylat (BMA, Mw = 142 g/mol, Aldrich), Methylmethacrylat (MMA, Mw=100
g/mol, Merck), Laurylacrylat (LA, Mw=240 g/mol, Aldrich), Butylacrylat (BA, Mw=128
g/mol, Aldrich), Methylacrylat (MA, Mw=86 g/mol, Aldrich), und Styrol (Merck, Mw=104
g/mol) wurden nach Destillation unter Vakuum verwendet. Ohne Vorreinigung wurden
Laurylmethacrylat (LMA, Mw=254 g/mol, Fluka) und Acrylnitril (AN, Mw=53 g/mol, Fluka)
verwendet.
Ebenfalls ohne weitere Aufreinigung wurden eingesetzt: Natriumdodecylsulfat (SDS, Alfa
Aesar), Natriumoctadecylsulfat (SOS, Alfa Aesar), Hexadekan (HD, Merck), 2,2’-Azo(2methylbutyronitril) (V 59, Wako), N-(2,6-Diisopropylphenyl)-perylen-3,4-dicarboximid
(PMI, BASF). Ohne Vorreinigung wurden verwendet: 1,1,1,5,5,5-Hexafluoro-2,4-pentadion
(fod, Aldrich), Dibenzylmethan (dbm, Aldrich), 2-(Methacryloyloxy)ethyl-acetoacetat (aema,
Aldrich),
166
1-Phenyl-1,3-butandion
(pbd,
Aldrich),
Gadolinium-(ΙΙΙ)-chlorid-hydrat
7. Experimenteller Teil
(GdCl3*H2O, Strem), Natriumhydroxid (VWR), Ethanol (Hochschule). Demineralisiertes
Wasser wurde für alle Experimente verwendet.
Synthese von Lanthanidnanopartikeln [148]
Der Lanthanidkomplex wurde in einem Lösungsschritt bei 72 °C für 30 min im Monomer
(LMA, BMA, MMA, LA, BA, MA, AN/BA 80:20, Styrol), Molverhältnis 50:1 bis 2:1,
gelöst. Danach wurden 16 mg Hexadekan zugegeben. Zur dieser Mischung wurde eine
wässrige Tensidlösung bestehend aus 24 mg V59 und 90 mg SDS in 2,7 g Wasser zur
Monomer-Komplex-Mischung zugegeben.
Nach 1 h Rühren wurde die Miniemulsion mit Hilfe eines Branson Sonifier W450 digital (3
mm Mikrotip) für 2 min ultraschallbehandelt (70% Amplitude, Pulsmodus: alle 5 s, 10 s
Pause). Die Polymerisation erfolgte bei 72 °C für 12 h.
Tabelle 7. 2. Konzentrationsangaben für Dispersionen unter Variation des Monomers und des Molverhaltnisses
für gadoliniumhaltige Nanopartikel.
Molverhältnis
Monomer:Komplex
50:1
8:1
2:1
Monomer
LMA
BMA
MMA
LA
BA
MA
Styrol
AN/BA
LMA
BMA
MMA
LA
BA
MA
LMA
BMA
MMA
LA
BA
MA
Monomerkonzentration
(g)
0,3
0,24/0,06
0,3
0,3
Gd(tmhd)3 konzentration (g)
0,017
0,03
0,04
0,018
0,03
0,05
0,04
0,07
0,1
0,19
0,27
0,12
0,21
0,31
0,42
0,75
1,1
0,44
0,83
1,24
167
7. Experimenteller Teil
Funktionalisierung Gadoliniumnanopartikel
Der Gadoliniumkomplex Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat), Gd(tmhd)3,
wurde im Monomer (BMA. LMA, MMA, Styrol) bei einem Molverhältnis von 50:1 bei 72 °C
für 30 min gelöst.
Zu einer Monomer-Komplex-Mischung wurde 16 mg Hexadekan und anschließend eine
wässrige Tensidlösung, bestehend aus dem Comonomer Acrylsäure, 24 mg V59 und 90 mg
SDS in 2,7 g Wasser, zugegeben. Nach 1 h Rühren wurde die Miniemulsion mit Hilfe eines
Branson Sonifier W450 digital (3 mm Mikrotip) für 2 min miniemulgiert (70% Amplitude,
Pulsmodus: alle 5 s, 10 s Pause). Die Polymerisation erfolgte bei 72 °C für 12 h.
Zur Bestimmung der Anzahl an Carboxylgruppen auf der Oberfläche wurden die Proben auf
4% verdünnt (0,2 g Probe aufgefüllt auf 4 g mit demin. Wasser) und gegen demineralisiertes
Wasser dialysiert. PCD-Messungen wurden mit zwei verschiedenen pH-Bereichen (2, 9) mit
dem
zur
Partikelfunktionalität
entgegengesetzt
geladenen
Polyelektrolyten
(Polydiallyldimethylammoniumchlorid (PDADMAC)) durchgeführt. Bei einem pH-Wert von
2 liegen COOH und COO--Funktionalitäten nebeneinander vor. Bei Erhöhung des pH-Wertes
auf 9 befinden sich nur COO--Gruppen auf der Oberfläche. Durch Abziehen der Werte
voneinander kann die genaue Anzahl an Carboxylgruppen auf der Oberfläche bestimmt
werden.
Die Ladungsmenge bzw. die Menge an funktionellen Gruppen konnte anschließend aus dem
Verbrauch an Polyelektrolyt mittels Gleichung 7.1. berechnet werden [83]:
V * M * N A * ρ * Dn *10 −18
gruppen / nm =
FG * 6
[
2
]
(7.1.)
mit V – Volumen des Polyelektrolyten (l), M – Molkonzentration des Polyelektrolyts
(mol/l-1), NA – Avogadro-Konstante (6,022*1023 mol-1), FG – Feststoffgehalt des Latexes (g),
ρ – Dichte des Polymers, DI – Teilchengröße.
Tabelle 7. 3. Monomerzusammensetzungen für carboxylfunktionalisierte Lanthanidnanopartikel.
Gew-%
0
1
5
10
15
20
168
Acrylsäure
g
0,003
0,015
0,03
0,045
0,06
μl
2,9
14,4
28,8
43,3
57,7
Monomer
g
0,3
0,297
0,285
0,27
0,255
0,24
7. Experimenteller Teil
Synthese fluoreszierender carboxylfunktionalisierter Gadoliniumnanopartikel
3 mg N-(2,6-Diisopropylphenyl)-perylen-3,4-dicarboximid (PMI) wurden in 6 g Monomer
(LMA) gelöst. Von dieser Mischung wurden 0,3 g entnommen und der Gadoliniumkomplex
Gadoliniumtris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat), Gd(tmhd)3, bei 72 °C für 30 min gelöst
(Molverhältnis 50:1). Danach wurden 16 mg Hexadekan zugegeben. Zu dieser Mischung
wurde eine wässrige Tensidlösung bestehend aus 15 Gew-% (45 mg) und 25 Gew-% (60 mg)
Acrylsäure, 24 mg V59 und 90 mg SDS in 2,7 g Wasser, zugegeben. Nach 1 h Rühren wurde
die Miniemulsion mit Hilfe eines Branson Sonifier W450 digital (3 mm Mikrotip) für 2 min
miniemulgiert (70% Amplitude, Pulsmodus, alle 5 s 10 s Pause). Die Polymerisation erfolgte
bei 72 °C für 12 h.
In Analogie zu carboxylfunktionalisierten Gadoliniumnanopartikeln wurde die Anzahl der
Carboxylgruppen auf der Partikeloberfläche bestimmt.
Synthese von Lanthanidkomplexen [154]
R1
O
EtOH
H2O
NaOH
GdCl 3*H2O
R1
O
Gd
O
R2
O
R2
3
Abb. 7. 1. Synthesestrategie zur Herstellung von Lanthanidkomplexen.
169
7. Experimenteller Teil
O
O
Gd
O
F2C
F2C
Gd
O
CF2
3
3
Gd(fod)3
Gd(dbm)3
O
Gd
O
O
O
Gd
O
O
O
Gd(pbd)3
3
Gd(aema)3
3
Abb. 7. 2. Strukturformeln der synthetisierten Lanthanidkomplexe.
3,3 g Ligand (fod: 15,9 mmol, dbm: 14,7 mmol, pbd: 20,4 mmol, aema: 15,4 mmol) und 0,4 g
Natriumhydroxid (10 mmol) wurden in einer Lösung aus 100 ml Ethanol und 100 ml demin.
Wasser gegeben und für 1 h gerührt. Anschließend wurden 1,1 g GdCl3*H2O (4,2 mmol) in
15 ml Wasser hinzugegeben.
Nach einer weiteren Stunde Rühren wurde der erhaltene Feststoff im Vakuum abfiltriert und
mit demin. Wasser gewaschen. Nach abschließender Trocknung im Vakuum wurde der
Komplex mittels 1H-NMR in CDCl3 analysiert.
170
7. Experimenteller Teil
7.3. Synthese von Nanokapseln
Ohne Vorreinigung wurden verwendet: Diethylentriamin (Aldrich), 1,6-Hexandiol (Aldrich),
1,3-Propandiol (Aldrich), Glycerol (wasserfrei, Fluka), Dextran aus Leuconostoc ssp. (Mn ~
70.000, Fluka), Magnevist® (Gadoliniumdiethylentriaminpentaessigsäure [Gd(DTPA)],
Schering AG), Gadovist® (Gadobuterol, Schering AG), Cyclohexan (Hochschule),
Natriumchlorid (NaCl, Fischer). Das hydrophobe Monomer 2,4-Toluoldiisocyanat (TDI,
Fluka) wurde vor Gebrauch unter Vakuum destilliert. Das amphiphile Blockcopolymer
Poly[(butylen-co-ethylen)-b-(ethylenoxid)], P(B/E-b-EO), wurde als Tensid verwendet. Es
besteht aus einem Poly(butylen-co-ethylen)-block (Mw = 3.700 g·mol-1) und einem
Poly(ethylenoxid)-block (Mw = 3.600 g·mol-1) und wurde durch anionische Polymerisation
hergestellt[155]. Demineralisiertes Wasser wurde für alle nicht kontrastmittelhaltigen
Experimente verwendet.
Synthese von Nanokapseln [121]
Bei Raumtemperatur wurden Monomer 1 und 15 mg NaCl in 0,65 g Wasser bzw.
Kontrastmittellösung (Magnevist®, Gadovist®) gelöst. Die Mischung wurde zu einer Lösung
aus dem Tensid P(B/E-b-EO) in 3,75 g Cyclohexan gegeben. Nach 1 h Voremulgieren
erfolgte die Ultraschallbehandlung mit einem Branson Sonifier W450 digital (6.4 mm
Mikrotip) unter Eiskühlung bei 0 °C für 180 s bei eine Amplitude von 70%. Der 3. Teil
(Monomer 2, Tensid, Cyclohexan) wurde innerhalb von 300 s zur beschallten Mischung
gegeben. Die Polymerisation zu Harnstoffkapseln erfolgte bei 25 °C für 2 h, und zu
Polyurethan und vernetzten Dextrankapseln bei 60 °C für 2 h.
171
7. Experimenteller Teil
Tablelle 7.4. Rezept zur Synthese von Nanokaspeln mit inversem Miniemulsionspozess.
Zusammensetzung
Disperse
Polares LM
Phase
PH
Wasser
PUR
0,65 g
Kontrastmittel
Monomer 1
Diethylentriamin
Wasser
Dextran
0,65 g
Kontrastmittel
0,05 g
(hydrophil)
1,6-Hexandiol
Wasser
0,65 g
Kontrastmittel
0,05 g
Dextran
0,05 g
1,3Propandiol
Glycerol
Lipophob
NaCl
0,015 g
NaCl
0,015 g
NaCl
0,015 g
Kontinuierliche
Unpolares
Cyclohexan
3,75 g
Cyclohexan
3,75 g
Cyclohexan
3,75 g
Phase
LM
(P(B/E-b-EO)
3. Teil
Unpolares
0,038 g
Cyclohexan
2,5 g
0,038 g
Cyclohexan
2,5 g
0,038 g
Cyclohexan
2,5 g
LM
(P(B/E-b-EO)
Monomer 2
0,018 g
TDI
0,14 g
0,018 g
TDI
0,14 g
0,018 g
TDI
0,14 g
(hydrophob)
Die Redispergierung für medizinische Anwendungen erfolgte wie folgt:
Eine bestimmte Menge der synthetisierten inversen Miniemulsion wurde zu einer wässrigen
Tensidlösung (einige mg SDS in 6 g Wasser) gegeben. Die Mischung wurde für 1 min bei
70% Amplitude emulgiert (Branson sonifier W450 Digital, Tip: 6.5 mm). Anschließend
wurden 10 Gew-% der Lösung unter Temperaturerhöhung verdampft, die Lösung danach für
5 min in das Ultraschallbad gestellt.
Für Untersuchungen unter physiologischen Bedingungen wurden isotonische NatriumchloridLösung (Baxter), Jonasteril®BAS mit Glucose (Freseniaus Kabi) und menschliches Blut, zur
Verfügung gestellt von Dr. Volker Mailänder, verwendet. Das abgenommene Blut wurde mit
K3EDTDA (Vacuette, BD) verdünnt. Durch Zentrifugation des Blutes konnte Serum und
EDTA-Plasma erhalten werden.
172
7. Experimenteller Teil
Berechnungen der zu redispergierenden Menge für Kernspintomographie
a) Die Berechnung der Konzentration an Gadolinium in mmol/L ist in einem Beispiel
dargestellt. Es wurde wie folgt berechnet:
In 1 ml Magnevist®-Lösung befinden sich 78,63 mg dreiwertiges Gadolinium. Zur
Kapselherstellung wurde 0,65 ml Magnevist®-Lösung verwendet. Über einen Dreisatz konnte
eine Menge von 51,1095 mg Gd3+-Ionen in 0,65 ml Magnevist®-Lösung bestimmt werden.
Das heißt: in der Probengesamtmenge von 6,645 g sind 51,1095 * 10-3 g Gd3+-Ionen
vorhanden. Um MRT-Untersuchungen durchführen zu können, mussten die Nanokapseln in
Wasser überführt und in verschiedenen Verdünnungen gemessen werden.
Mittels Dreisatz wurde bestimmt, wie viel der inversen Miniemulsion in Wasser redispergiert
werden muss, um als Ausgangskonzentration eine Konzentration von 5 mmol Gd3+/L zu
erhalten. In diesem speziellen Fall wurde über eine Dreisatzrechnung eine zu redispergierende
Menge an 0,675 g bestimmt. In dieser Menge befinden sich 5,2*10-3 g Gd3+-Ionen. D. h. die
Gesamtmenge an redispergierter Probe ist 6,675 g (0,675 g Probe + 6 g Wasser + einige mg
SDS). In der Kernspintomographie wurden jeweils 2 ml Proben untersucht. In 2 ml befinden
sich 1,55*10-3 g Gd3+-Ionen. Um jetzt zu einer Konzentration von mmol Gd3+/L zu gelangen,
wurde dieser Wert durch die Molmasse von Gadolinium (157 g/mol) dividiert, auf Grund der
Probenmenge durch 2 dividiert und, um die Einheiten zu erhalten, mit 1*106 multipliziert.
In Analogie wurden die Konzentrationen (2,5; 1,7; 1,25; 1 mmol Gd3+/L) für Verdünnungen
der redispergierten Probe mit demin. Wasser berechnet.
173
7. Experimenteller Teil
b) Die Berechnung der Konzentration an Gd3+ in mol pro Partikel ist in einem Beispiel
dargestellt. Es wurde wie folgt berechnet:
Der Rechnungsansatz erfolgte hier über die Oberfläche der Nanokapseln. Es wurde
angenommen, dass 0,65 g Magnevistlösung in 0,19 g Polymer verkapselt sind, somit sind
51*10-3 g Gd3+-Ionen in der Probe (Gesamtmenge 7,16 g) vorhanden. In 1 g Probe sind somit
7,123*10-3 g Gd3+-Ionen. Die Kapseln besitzen eine Partikelgröße d von 133 nm und einen
Feststoffgehalt von 6,19%. Die Gesamtoberfläche kann jetzt mit der Formel S all =
6
δ *d
berechnet werden, wobei δ für die Dichte des Polymers steht.
In unserem Fall erhalten wir für die Gesamtoberfläche der Teilchen einen Wert von 37,28
m2/g. Die Oberfläche eines Teilchens kann jetzt durch S 1t = 4π * r 2 auf 5,56 *10-14 m2
bestimmt werden. Durch Division der Werte für die Gesamtoberfläche und der Oberfläche
eines Teilchens wird die Anzahl der Teilchen pro 1 g Polymer bestimmt (hier: 6,7*1014). Da
jedoch nur ein Feststoffgehalt von 6,19 % (entspricht 0,0619 g) vorhanden ist, muss dieser
Wert durch 0,0619 g dividiert werden, um die Anzahl der Partikel pro 1 ml Latex zu erhalten
(4,153*1013). In vorherigen Berechnungen wurde bestimmt, dass in 1 g Latex eine Gd3+Konzentration von 7,123*10-3g ist. Um jetzt mol Gd3+ pro Partikel zu erhalten, muss dieser
Wert durch 4,153*1013 (Anzahl der Partikel pro 1 ml Latex) dividiert werden und mit der
Molmasse von Gadolinium (157 g/mol) multipliziert werden.
174
8. Anhang
Kapitel 8.
Anhang
Man braucht nichts im Leben zu fürchten,
man muss nur alles verstehen.
(Marie Curie)
8.1. Abkürzungen
Abb.
AFM
AA
aema
AN
a.u.
BA
BMA
CTAB
DLS
dbm
DSC
fod
FG
FTIR
Gew-%
GPC
Gd-DTPA-SA
HMDI
HD
IPDI
IR
LA
LM
LMA
Lutensol AT 50
Abbildung
Rasterkraftmikroskop,
engl.: Atomic Force Microscopy
Acrylsäure (engl. Acrylic acid)
2-(Methacryloyloxy)ethyl-acetoacetat
Acrylnitril
Astronomical Unit
Butylacrylat
Butylmethylacrylat
Cetyltrimethylammoniumbromid
Dynamische Lichtstreuung
Dibenzylmethan
Differential Scanning Calorimetry (engl.)
1,1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentadionat
Feststoffgehalt
Fourier-Transfomier-Infrarotspektroskopie
Gewichtsprozent
Gelpermeationschromatographie
Gadolinium-dtpa-distearylamid
Hexamethylendiisocyanat
Hexadekan
Isophorondiisocyanat
Infrarot
Laurylacrylat
Lösungsmittel
Laurylmethylacrylat
C16/C18-(EO)50
175
8. Anhang
Min
MA
MMA
MRT
NCO/OH - Verhältnis
PBMA
PLMA
PMI
PUR
PH
SAXS
SDS
REM
SOS
SQUID
STM
Tab.
TEM
Theo FG
TDI
tmhd
US
V 59
WAXS
Minute
Methylacrylat
Methylmethacrylat
Magnetresonanztomographie
Isocyanat/Alkohol - Verhältnis
Poly-(butylmethylacrylat)
Poly-(laurylmethylacrylat)
N-(2,6-Diisopropylphenyl)-perylen-3,4 dicarboximid
Polyurethan
Polyharnstoff
Small Angle X-ray Scattering (Röntgenkleinwinkelstreuung)
Natriumdodecylsulfat (engl. sodium dodecyl sulphate)
Rasterelektronenmikroskopie
Natriumoctadecylsulfat (engl. sodium octadecyl sulphate)
superconducting quantum interference device
Scanning Tunneling Microscope
Tabelle
Transmissionselektronenmikroskopie
theoretischer Feststoffgehalt
2,4-Toluoldiisocyanat
tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat)
Ultraschall
2,2’-Azo(2-methylbutyronitril)
Wide Angle X-ray Scattering (Röntgenweitwinkelstreuung)
8.2. Symbole
α
ΑiJ
C
γLL
λ
Ekin
PL
r
Πosm
R
n
T
NA
μ
gJ
J
S
L
Si
σij
176
Akzeptanzwinkel des Objekts (TEM)
Grenzfläche
Curie - Konstante
Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten
Wellenlänge
Kinetische Energie
Laplace - Druck
Tröpfchenradius
Osmotischer Druck
Ideale Gaskonstante
Zahl der Hydrobmoleküle
Temperatur
Avogadro - Konstante
Magnetisches Moment
Landé - Faktor
Quantenzahl
Spin
Bahndrehimpuls
Spreitkoeffizient
Grenzflächenspannung
8. Anhang
G
Aij
δ
h
p
me
θ
n
δ
χmol
MP
H
Χdia
Χpara
Θ
μ0
kB
n
qi
zi
ΔΨ
ci
ξ
η
VE
E
εr
ε0
u
ρ
Dn
γ
g
β
ω und ωS
rin
A/ћ
τc und τe
T1
T2
R1
Tg
Mw
Mn
Freie Grenzflächenenergie
Grenzfläche
Auflösungsvermögen nach Abbé
Plancksches Wirkungsquantum
Impuls der Elektronen
Elektronenmasse
Braggscher oder Glanzwinkel
Ordnung der Reflexe
Netzebenenabstand
Molsuszeptibilität
Probenmagnetisierung
Magnetfeld
Diamagnetische Molsuszeptibilität
Paramagnetische Molsuszeptibilität
Paramagnetische Curietemperatur
Magnetische Feldkonstante
Boltzmann - Konstante
Stoffmenge
Mittlere Ladungsdichte
Ladungszahl
Potentialdifferenz
Volumenkonzentration
Zetapotential
Dynamische Viskosität
Elektroosmotische Flussrate
Elektrische Feldstärke
Dielektrizitätskonstante
Elektrische Feldkonstante
Elekrophoretische Mobilität
Dichte des Polymers
Teilchengröße
gyromagnetisches Verhältnis
elektronischer Faktor
Bohr Magnetum
Lamorfrequenz für Kern- und Elektronenspin
Ionen-Kern Abstand
Elektronkernhyperfeinkopplungskonstante
Korrelationszeit für dipolare und skalare Wechselwirkung
Spin – Gitter - Relaxation
Spin – Spin - Relaxation
Relaxivität
Glastemperatur/ -übergang
Molekulargewicht
Zahlenmittel
177
8. Anhang
8.3. Methoden
Dialyse
Funktionalisierte Miniemulsionen wurden mit demineralisiertem Wasser gewaschen.
Verdünnte Dispersionen wurden in Millipore Zentrifugenröhrchen (Amicon Ultra-4 100.000
Mw) mit Hilfe einer Sigma Zentrifuge bei 2500 rpm dialysiert.
Differential Scanning Calorimetry (DSC)
DSC Untersuchungen wurden am Perkin Elmer DSC 7 durchgeführt. Die Auf- und
Abkühlrate lag bei 10 °C/min.
Dynamische Lichtstreuung (DLS)
Die Teilchengrößen wurden mittels dynamischer Lichtstreuung durch ein NICOMP particle
sizer (Model 370, PSS Santa Barbara, CA, USA) mit einem festen Streuwinkel von 90°
gemessen.
Fluorescent activated cell sorter (FACS)
Die Zellaufnahme von fluoreszierenden Partikeln wurde mit FACS – Analyse (Becton
Dickinson,
Heidelberg,
Deutschland)
gemessen.
Fluoreszenzintensitäten
wurden
aufgezeichnet vom Kanal FL1.
FTIR-Spektroskopie
FTIR-Spektroskopie wurde mit einem Bruker IFS 66V Spectrophotometer mit DTGS
Detektor an KBr-Presslingen durchgeführt.
Gelpermeationschromatographie (GPC)
Die Molekulargewichte von Polyurethanen wurden mittels GPC analysiert. Es wurde eine
Dionex PS80 Pumpe mit UV486 - Detektor und RI 210 - Detektor in Chloroform (Säule:
2*PSS linear M) verwendet.
Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS)
Röntgendiffraktogramme wurden mit einem Nano-STAR-Gerät unter Verwendung eines HISTAR-Flächendetektors (2 dimensional) der Firma Bruker AXS (Cu-Kα- Strahlung: λ =
0.154 nm) bei Raumtemperatur an Polymerhybridmaterialien durchgeführt.
178
8. Anhang
Die Streuintensität wurde durch die Variation des Streuwinkels im Bereich zwischen 0° und
3° aufgenommen.
Konfokales Laserrastermikroskop (LSM)
Die Morphologie von HeLa-Zellen wurde mit Hilfe eines LSM (Fluoview on a IX71, zwei
Laser (488 and 543 nm), Olympus Hamburg, Deutschland) untersucht. Fluoreszierende
Polymerteilchen wurden bei einer Wellenlänge von 543 nm angeregt und im Kanal 1
detektiert (Spiegel 570 nm, Filter 530 nm).
Bei einem zweiten Durchlauf wurde der rote Fluoreszenzfarbstoff RH 414 (Molecular Probes,
Eugene, OR) als Marker für die Zellmembranen zugegeben. Die Anregung erfolgte bei 488
nm und wurde im Kanal 2 detektiert (Filter 565 nm).
Kontaktwinkelmessungen
Statische Kontaktwinkel wurden mit einem Goniometer Krüss DSA 10 mit Hilfe der Sessile
Drop Methode bei Raumtemperatur durchgeführt. Es wurden Kontaktwinkel durch
Aufbringen von Wasser und Hexadekan bestimmt.
Magnetische Resonanztomographie (MRT)
Untersuchungen von Nanokapseln zur Bestimmung der Relaxivitäten wurden mit einem
Philips 1.5 T MRT Scanner unter Verwendung der SSFP-Look Locker Sequenz durchgeführt.
Die erhaltenen T1–Werte wurden mit dem MatLab Programm bearbeitet und aus der
Auftragung 1/T1 gegen die Gd3+-Konzentration wurde die Relaxivität bestimmt.
Particle Charge Detector (PCD)
Die Oberflächendichte wurde bestimmt durch Strömungspotentialuntersuchungen mit einem
particle charge detector PCD 02 (Mütek GmbH, Deutschland). Die Messungen von
gewaschenen, funktionalisierten Polymerpartikeln wurden in wässrigen Lösungen (1gL-1) bei
verschiedenen pH-Werten (2,7,9) durchgeführt. Carboxylgruppen wurden mit dem
kationischen Polyelektrolyten Poly(allydimethylammoniumchlorid)
(PDADMAC)
und
Aminogruppen mit dem anionischen Polyelektrolyten Natriumpolyethylensulfonat (PESNa)
titriert.
179
8. Anhang
Rasterelektronenmikroskop (REM)
Rasterelektronmikroskopische Aufnahmen wurden mit einem DSM 962 REM (Zeiss,
Deutschland) erhalten. Die Proben wurden dazu mit einer Schicht aus 70% Au/30% Pd
beschichtet (ca. 20 nm). Zum Besputtern wurde das Gerät Balzers Union MED 010 mit einem
Stromfluss von 30 mA benutzt.
Rasterkraftmikroskop (AFM)
Die Oberflächenbeschaffenheit von Polyurethanfilmen wurde mit AFM (Digital Instruments,
MultimodeTM SPM) untersucht. Es wurde ein Silikoncantilever mit einer Resonanzfrequenz
von ~ 300 kHz verwendet. Die Probe wurde mittels Spincoating (1500 rpm, 30 sec) auf
Glimmer bzw. Glas aufgebracht.
Superconducting quantum interference device (SQUID)
Magnetische Messungen wurden mit Hilfe eines Quantum Design MPMS-5 SQUID
Magnetometer durchgeführt. Das Feld wurde meist bei 10 Oe konstant gehalten und die
Temperatur von 2 bis 300 K variiert.
Transmissionselektronenmikroskop (TEM)
Die
Analyse
der
Partikelmorphologien
wurde
mit
einem
Phillips
400T
TEM
Spektrophotometer bei 80 kV durchgeführt. Die Miniemulsion wurde verdünnt (direkte
Miniemulsion: mit Wasser, inverse Miniemulsion: mit Cyclohexan) und auf ein 300 mesh
kohlebeschichtetes Kupfernetzchen aufgebracht und getrocknet. Kontrastierungen wurden
nicht durchgeführt.
Ultraschall (US)
Die Homogenisierung der Miniemulsionen wurde durch einen Branson sonifier W450 Digital
erreicht. Die Größe der Spitze hängt dabei von dem zu schallenden Probenvolumen ab. Zur
Ultraschallbehandlung von Proben mit einem Volumen von > 10 ml wurde eine Spitzengröße
von 13 mm und < 10 ml von 6,5 mm verwendet.
Minimale Ansätze (Voulmen < 4 ml) wurden mit Hilfe einer 3 mm Spitze behandelt. Der
Ultraschallvorgang wurde bei 0°C unter Eiskühlung durchgeführt.
180
8. Anhang
Röngenweitwinkelstreuung (WAXS)
Röntgendiffraktogramme wurden mit einem Weitwinkelgoniometer (Brooker D500) unter
Verwendung
von
Cu-Kα-Strahlung
(λ
=
0.154
nm)
bei
Raumtemperatur
an
Polymerhybridmaterialien durchgeführt. Die Streuintensität wurde durch die Variation des
Streuwinkels im Bereich zwischen 2° und 30° aufgenommen.
Zetapotential
Zetapotentiale von dialysierten, funktionalisierten Polymerpartikeln wurden mit einem Zeta
Nanosizer (Malvern Instruments, UK) bestimmt. Dazu wurden die Polymerpartikel mit einer
wässrigen KCL-Lösung (10-3 M) verdünnt.
181
9. Referenzen
Kapitel 9.
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Mehr als die Vergangenheit interessiert mich die Zukunft,
denn in ihr gedenke ich zu leben.
(Albert Einstein)
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J. Klein, A. Borck, Carolo-Wilhelmina, 2002. 1: p. 90.
154.
Thorne, J.Phys.Chem.A, 2002. 106: p. 4014.
155.
H.Schlaad, et al., Macromolecules, 2001. 34: p. 4302.
188
Danksagung
Ein großer Dank zum Gelingen dieser Arbeit gilt der kompletten Mannschaft der Abteilung
Organische Chemie III/Makromolekulare Chemie, die mich in den letzen 3 Jahren auf diesem
Weg begleitet hat.
Bei Prof. Dr. Katharina Landfester möchte ich mich für die interessante und aktuelle
Themenbereitstellung sowie für zahlreiche Diskussionen, ein gutes Arbeitsklima und
selbstständiges Arbeiten bedanken.
Dr. Ulrich Ziener danke ich für seine organisatorischen Fähigkeiten und das Korrekturlesen
meiner Arbeit.
Ich bedanke mich sehr herzlich bei Frau Prof. Nicola Hüsing für die Übernahme des
Zweitgutachtens.
Ganz herzlichst möche ich der gesamten Sektion Elektronenmikroskopie unter Prof. Paul
Walther für die stetige Hilfbereitsschaft bei elektronenmikroskopischen Sachlagen danken.
Für das Gelingen des Kapselprojektes gilt mein Dank Prof. Volker Rasche und Sonu Sharma
für die zahlreichen Relaxivitätsmessungen. Ein riesengroßer Dank geht an Dr. Anna
Musyanovych für zahlreiche Diskussionen, Hilfestellungen und nette Gespräche. Ein großer
Dank geht außerdem an Dr. Volker Mailänder, der für meine Forschungsarbeit sogar Blut
lassen musste. Außerdem danke ich Michael Stark für die Aufopferung seiner kostbaren Zeit
für SAXS-Messungen. Yin Hong sowie Elvira Kaltenecker danke ich für die Unterstützung
bei der Aufnahme von IR-Spektren. Marlies Fritz danke ich für aufgenommene DSC- und
TGA-Daten, Mike Wendel für GPC-Messungen und Carola Hoffmann-Richter für AFMUntersuchungen. Dr. Clemens Weiß möchte ich für die Hilfe bei den SQUID-Untersuchungen
danken. Myriam danke ich für die raschen Untersuchungen meiner Partikel in verschiedene
Zellarten. Der Arbeitsgruppe von Prof Albrecht (RWTH Aachen) danke ich für die
Zusammenarbeit.
Ich bedanke mich bei meinen Kochknechten Amir, Dai, Hendrik, Markus und Bettina für
viele Ergebnisse.
Mein ganz besonderer Dank gilt den Personen, die mir mit Rat und Tat in dieser aufregenden
Zeit beigestanden haben.
189
Yayun, Anitha, Eiw, Omayma, Anna, Anne and Dai I am very glad to say you are the best
friends, which I ever had. Without your friendships I would never survive here and it would
always rain on me.
Außerdem danke ich meinen Kompanions im Büro und Labor. Andreas, danke für deine
ständige Hilfe bei Computerproblemen, Verena und Andy möchte ich rückblickend für eine
interessante Zeit danken. Thank you very much Daniel for your surport and spontaneous trips
through Germany. Laks try to have a nice time in Ulm.
Eyk, ich möchte dir für eine sehr lustige Laborzeit danken. Lass dich nicht unterkriegen. Das
gleiche gilt für Christof, Sonja und Carola.
Allen weiteren Mitgliedern dieser Abteilung der letzen 3 Jahre gilt mein Dank: die Truppe
vom Nachbarlabor Marcel, Hendrik und Eva; Maria, Renate und Karolina für die lustigen
Stunden, den ehemaligen und neuen Organikern Stefan und Andreas für ihre Hilfsbereitschaft
bei Synthesefragen; den Restlichen des chronisch überfüllten Büros im 3. Stock JeanBaptiste, Nico, Marissa und Christoph. PS: Ein großer Dank für das zusätzliche
Korrekturlesen an Eva.
Dass ich meine Arbeiten nicht unter Verwendung eines Kolbens durchführen musste,
verdanke ich Magdalene und Günther. Zusätzlicher Dank geht an Günther für die hilfreichen
und lehrreichen Informationen. Den Sekretärinnen Frau Siegert und Christine Urban danke
ich für ihre Hilfsbereitschaft und Unterstützung bei organisatorischen Angelegenheiten.
Ohne meine Studienkollegen aus Potsdam hätte ich bereits nach dem 1. Semester entnervt
aufgegeben. Deshalb einen großen Dank an Katja, Anja und Romy.
Meiner kompletten Familie: Danke für eure ständige Unterstützung ohne die ich nicht so weit
gekommen wäre.
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CURRICULUM VITAE
Nicole Jagielski, geb. Engfer
geb. 8.11.1979 in Berlin
Studium
2004 – 2007
Doktorarbeit (Makromolekulare Chemie)
Institut für Makromolekulare Chemie und Organische Materialien (Organische
Chemie III), Universität Ulm, Deutschland
1999 – 2004
Dipl. Chem. (Kolloidchemie)
Abteilung für Kolloidchemie, Universität Potsdam, Deutschland
1996 – 1999
Abitur
OSZ Nauen, Deutschland
Poster
I. Synthesis and Characterization of Gadoliniumparticles via Miniemulsion,
DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)-Konferenz 2004, Bayreuth, Deutschland
II. Characterization and functionalization of structured lanthanide particles with
miniemulsion process, DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)-Konferenz 2006,
Oldenburg, Deutschland
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Publikationen
I. CdS Nanocubes formed in phosphatidylcholin-based template phases, Joachim Kötz,
Nicole Jagielski, Sabine Kosmella, Alwin Friedrich, Erich Kleinpeter, Colloid and
Surface A: Physicochemical and Engineering Aspects (2006), 288, 1-3, 36-43
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Erklärung
Diese Dissertation wurde im Zeitraum von Juni 2004 bis Juli 2007 im Institut
Makromolekulare Chemie und Organische Materialien (Organische Chemie III)
der
Universität Ulm erstellt.
Hiermit erkläre ich, daß ich diese Arbeit selbständig und nur mit den angegebenen
Hilfsmitteln angefertigt habe. Alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinn gemäß anderen
Arbeiten entnommen wurden, sind durch Angabe der Quellen kenntlich gemacht.
Ulm, den 18.4.2007
Nicole Jagielski