Authors:	Queralto Gratacos, Nuria
Title:	Functional hydrogels: ferrogel thin films
Online publication date:	7-Jun-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. \r\nIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.\r\nDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II) acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. \r\nDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. \r\n The combination of magnetic nanoparticles (NPs) with thermoresponsive polymer systems leads to the formation of composite materials with a wide range of potential applications such as magnetic separation, drug release systems, sensors and actuators. The response time to external stimuli can be reduced by the reduction of the hydrogel matrix volume since swelling is a diffusion-controlled phenomenon.\r\nIn this work, a UV-crosslinkable polymer, consisting of N-isopropylacrylamide, methacrylic acid and the UV-crosslinker 4-benzoylphenyl methacrylate was used in conjunction with magnetite nanoparticles. The temperature and pH influence on the gel were studied by means of nanomechanical cantilever sensors (NCS) and surface plasmon resonance with optical waveguide mode spectroscopy (SPR/OWS). The obtained values of polymer pKa and lower critical solution temperature (LCST) were in agreement with literature values. It was found that higher crosslinked networks exhibit a lower LCST. NCS provided additional insight into polymer physics of the hydrogel showing stresses caused by skin-effect in the heating of higher crosslinked networks. \r\nFe3O4 nanoparticles were synthesized from iron(III) acetylacetonate using a high temperature reaction. By changing the reaction temperature a control on the NP size was achieved from 3.5 nm to 20 nm with a size distribution between 0.5 and 2.5. In addition, magnetite nanopartices were functionalized to allow stabilization in aqueous environment through two strategies: a silica shell or a citric acid surfactant; thus, opening the door for the nanoparticles to bioapplications. The magnetic nanoparticles were analyzed by transmission electron microscopy (TEM) and superconductive quantum interference device (SQUID). A size dependence of the magnetic properties was observed and a superparamagnetic character was confirmed. In addition, the heat loss of the nanoparticles exposed to an AC magnetic field was investigated. \r\nA ferrogel was formed through the mixing of magnetite nanoparticles, functionalized with benzophenone for the first time, and PNIPAAm polymer. The polymer was spincoated into a thin film, whose behavior in front of a magnetic field gradient was investigated. The results showed a small plastic response. The results were compared to theoretical calculations, which explained the different response in comparison with bulk ferrogels.\r\n
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2289
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-22917
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	174 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen