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Authors: Bomhard, Sibylle von
Title: Kontinuierliche Herstellung und Aufarbeitung polymerbasierter Nanopartikel sowie Verkapselung hydrophober Substanzen
Online publication date: 9-Apr-2019
Year of first publication: 2019
Language: german
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die kontinuierliche Herstellung und Aufarbeitung polymerer Nanopartikel mit reproduzierbaren und kontrollierten Eigenschaften untersucht, welche auf einer Kombination der Miniemulsionstechnik mit der Lösungsmittelverdampfungsmethode basiert, sowie Experimente zur Verkapselung hydrophober Substanzen in kontinuierlicher Prozessführung durchgeführt. Die Kombination aus Miniemulsionstechnik und Lösungsmittelverdampfungsmethode stellt ein wertvolles Verfahren dar, um eine Vielzahl an funktionellen polymeren (Hybrid-)Materialien darzustellen und hydrophobe Substanzen effektiv zu verkapseln. Bei der Entwicklung eines vollständig, kontinuierlich verlaufenden Prozesses ist es zweckmäßig, nicht nur die Synthese durchzuführen, sondern auch das Downstream Processing abzudecken. Daher wurde zu Beginn der Arbeit der Fallfilmmikroreaktor auf seine Wirksamkeit im Hinblick auf ein kontinuierliches Stripping von Tetrahydrofuran (THF) aus einem THF-Wasser-Gemisch untersucht. Es wurde ein Massentransfermodell zur Beschreibung des Strippingprozesses eines binären Systems entwickelt, das eine gute Übereinstimmung mit den experimentell gewonnenen Daten zeigt. Bei dem entwickelten, kontinuierlichen Verfahren wurden ein statischer Mikromischer sowie eine Durchflussultraschallzelle erfolgreich dazu eingesetzt, eine wohldefinierte Miniemulsion herzustellen. Die disperse Phase der Emulsion besteht hierbei aus Tröpfchen eines organischen Lösungsmittels mit gelöstem Polymer und wird umgeben von einer kontinuierlichen wässrigen Phase, welche Tensid zur Stabilisierung enthält. Das Verdampfen des Lösungsmittels erfolgte kontinuierlich und höchst effektiv über den Fallfilmmikroreaktor und resultierte in der Bildung wässrig-dispergierter polymerer Nanopartikel. Abhängig von der Polymerzusammensetzung, experimentellen Parametern (z.B. Flussrate, Mischverhältnis, usw.) sowie der Anwesenheit anorganischer Substanzen konnten mit dem entwickelten Verfahren erfolgreich und reproduzierbar Partikel mit unterschiedlichen Eigenschaften und Morphologien hergestellt werden: - Durch Anpassung der Reaktionsparameter konnten gezielt Polystyrol-Partikel mit Durchmessern zwischen 50 nm und 250 nm dargestellt werden. - Das Verfahren ermöglichte eine höhere Verkapselungseffizienz superparamagnetischer Eisenoxid-Partikel in Polystyrol im Vergleich zur Literatur. - Es wurden Janus-Partikel aus Polystyrol und Poly-L-Lactid kontinuierlich gewonnen. - Bei der kontinuierlichen Verkapselung von Nilrot in Polystyrol bzw. Poly(Lactid-co-Glycolid) (PLGA) kam es im Gegensatz zur Batchmethode zu einer Löschung der Fluoreszenz. Wird der Farbstoff jedoch aus den kontinuierlich hergestellten Partikeln wieder freigesetzt, tritt das Fluoreszenzsignal ohne Verluste in der Intensität wieder auf, und bietet so das Potential, als molekulare Sonde verwendet zu werden. - Abschließend konnte eine erhöhte Aufnahme von PLGA Nanopartikeln mit verkapseltem Magnetit in einem angelegten Magnetfeld in humane Glioblastomzellen im Vergleich zu Versuchen ohne Magnetfeld und zu Versuchen mit Partikeln ohne verkapselte Eisenoxide mit und ohne Magnetfeld gezeigt werden.
In the framework of this PhD thesis the continuous formation and the corresponding downstream processing of polymeric nanoparticles with well-defined and reproducible properties and morphologies as well as the encapsulation of hydrophobic compounds were investigated. For this purpose, a combination of the miniemulsion technique with highly efficient solvent evaporation in flow was established as well as a laboratory scale unit developed and evaluated. The method presents a versatile process for the production of a wide range of functional polymeric hybrid materials. For the design of sustainable continuous processes it is important to not only consider the generation of the nanoparticles but also the purification and downstream processing. Therefore, a falling film micro reactor was investigated regarding its ability to continuously evaporate tetrahydrofuran (THF) out of a THF-water mixture. A mass transfer model for the separation process was developed which showed good agreement between the calculations and the experimental data. A well-defined miniemulsion was generated by a static micromixer followed by a flow-through ultrasonic cell. The dispersed droplets consist of preformed polymers dissolved in an organic solvent within an aqueous surfactant solution as a continuous phase. A continuous and highly efficient solvent evaporation was performed by using the falling film micro reactor, resulting in the formation of dispersed polymer-based nanoparticles. Depending on the polymer composition, experimental parameters (e.g. flow rate, mixing ratio, surfactant concentration) and the presence of inorganic substances, various kinds of polymeric particles with different properties and morphologies were successfully prepared: - By adjusting the reaction parameters, polystyrene particles of diameters between 50 nm and 250 nm were prepared. - The developed process allowed for a higher amount of superparamagnetic iron oxide particles to be encapsulated in poly(styrene) compared to batch processes reported in literature. - Poly(styrene) / poly(L-lactide) Janus particles were continuously generated. - In contrast to the batch method, the continuous encapsulation of nile red in poly(styrene) or poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) inhibited the fluorescence of the dye. After the release of the continuous encapsulated dye, the fluorescence intensity was fully recovered. This carries the potential for the use as a molecular sensor. - Finally, an increased uptake of PLGA nanoparticles with encapsulated magnetite in humane glioblastoma cells could be observed in an external magnetic field compared to experiments without a magnetic field and experiments with particles without magnetite with and without an external magnetic field.
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-4811
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000027170
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XVI, 346 Seiten
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