Intelligente Polymere. Anne Oestreicher

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1 Intelligente Polymere Anne Oestreicher

2 2 Intelligente Polymere 1. Einleitung 2. Stimuli-responsive Polymere 3. Thermoresponsive Polymere a. Kritische Entmischungstemperaturen b. Thermodynamik c. Anwendung auf Zellen 4. Formgedächtnispolymere 5. Elektrische Stimuli 6. Charakterisierung 7. Anwendung

3 3 Einleitung Schalten = Änderung der Polymerstruktur durch geringfügige Veränderung der äußeren Bedingungen dramatisch, abrupt, diskontinuierlich, reversibel, selbstständig Mikroelektronik, Katalysetechnik, Medizintechnik

4 4 Stimuli-responsive Polymere Polymerstrukturen [1] Teichmann Dissertation

5 5 Stimuli-responsive Polymere Einteilung [1] Teichmann Dissertation

6 6 Stimuli-responsive Polymere Wechselwirkungen Anwesenheit/Abwesenheit Sekundäre Wechselwirkungen Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Effekte, elektrostatische Interaktionen Einfache Reaktionen an Untereinheiten Säure-Base-Reaktionen Änderung im osmotischen Druck Veränderungen in Form, Oberflächen + chemische/mechanische/elektrische/optische Eigenschaften

7 7 Stimuli-responsive Polymere Architekturen Polymer in Lösung Veränderung intermolekulare Wechselwirkungen Sekundärstruktur + Löslichkeit Kovalent quer-vernetzte Polymergele + Oberflächengebundene Polymere Quellen + Kollabieren Änderung Schichtdicke, Benetzbarkeit + Oberflächenladung Reversible Prozesse mit Hysterese Art der Architektur Einfluss auf Dynamik, Antwortstärke, Reversibilität

8 8 Thermoresponsive Polymere kritische Entmischungstemperaturen UCST Obere kritische Entmischungstemperatur Unterhalb unlöslich Übergang in gelöstes Einphasensystem Temperaturerhöhung Mischen mit Lösungsmittel LCST Untere kritische Entmischungstemperatur Bei niedrigen Temperaturen unlöslich Über LCST löslich Bei LCST gerade noch löslich mit Lösungsmittel

9 9 Thermoresponsive Polymere Thermodynamik Hydrophober Effekt Negative freie Enthalpie bei Temperaturerhöhung Höherer negativer Entropieterm + negativer Enthalpieterm Verhinderung der Wechselwirkungen zwischen Polymerketten + Wassermolekülen Förderung der Wechselwirkungen zwischen Polymerketten Phasenseparation

10 10 Thermoresponsive Polymere Adhäsion + Ablösung [1] Teichmann Dissertation

11 11 Thermoresponsive Polymere Knäuel-Globuli-Übergang [2] Wikipedia

12 12 Formgedächtnispolymere [3] Schlussbericht Forschungsförderung

13 13 Elektrische Stimuli Erwärmung ohne zusätzliche Heizvorrichtung Laserstrahlung Infrarotquelle Leitfähige Zuschlagstoffe Zuschlagstoffe Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhren, magnetische Füllstoffe Aufheizung durch Joule sche Wärme oder Induktion

14 14 Charakterisierung Trübungspunkt Experimentelle Untersuchung der Phasenseparation durch Turbidimetrie Turbidimetrie = Messung der durchdringenden Lichtintensität durch eine Suspension Temperatur bei erster Trübung [4]

15 15 Charakterisierung Kontaktwinkel Einfache + effektive Methode Aussagen über Benetzungsverhalten + freie Oberflächenenergie [5] Geismann Dissertation

16 16 Charakterisierung Kontaktwinkel Methode des aufliegenden Tropfens Methode der eingefangenen Blase [6]

17 17 Anwendungsgebiete Spezielle Beispiele Biomedizinische Anwendungen Immobilisierung der Polymersysteme auf Oberflächen Funktionalisierung von Oberflächen mit Hydrogelen für Biosensoren Funktionalisierung von Oberflächen durch alternierende Adsorption von Polymerelektrolyten Bioseparation Thermoresponsive Oberflächen

18 18 Zusammenfassung Schalten = Änderung der Polymerstruktur durch geringfügige Veränderung der äußeren Bedingungen (Änderung ph-wert, Licht, Ionenstärke, Temperatur ) LCST = untere kritische Entmischungstemperatur Überschreiten der LCST Phasenseparation passive/aktive Adhäsion Unterhalb LCST Bildung Wasserstoffbrückenbindungen Stabilisierung der Lösung passive/aktive Ablösung Charakterisierung durch Turbidimetrie + Kontaktwinkel Anwendung: Mikroelektronik, Katalysetechnik, Medizintechnik

19 19 Quellen [1] Teichmann, J., Tissue Engineering des Humanen Cornealen Endothels, Dissertation, 2013 TU Dresden [2] [3] Schlussbericht Nr.8.2 Biologie, SEROSA-PATCH, Aachen 2003 [4] [5]Geismann, C., Schaltbare Kapillarporenmembranen durch Oberflächenfunktionalisierung mit stimuli-responsiven Polymersystemen, Dissertation, 2007 Uni Duisburg-Essen [6]