Universität zu Köln

Kraus, Katharina Elisabeth (2014). Funktionalisierte intelligente Hydrogele auf Basis von N-Isopropylacrylamid, Acrylsäure und Tensidmonomeren. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die Funktionalisierung von Copolymerhydrogelen bestehend aus N-Isopropylacrylamid (NIPAM) oder Acrylsäure (AS) mit Tensidmonomeren. Die Gele wurden durch eine γ-strahleninduzierte Polymerisation synthetisiert. Die Funktionalisierung erfolgt durch Diffusion, Gegenionenaustausch oder Copolymerisation des entsprechenden Funktionsmoleküls. Durch die Funktionalisierung ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten der Gele in optischer Sensorik, Katalyse oder in Bereichen der Medizin. Zur Entwicklung optischer Systeme wurden Azobenzol-Derivate, wie z.B. 4,4´-Di(6-sulfato-hexyloxy)azobenzol (DSHA) und 2,2´-Azinobis(3-ethylbenzo-thiazolin-6-sulfonat) (ABTS) in die Gele eingebracht. Mit den Azobenzol-Derivaten konnten Oxidationsmittel anhand charakteristischer Farbänderungen nachgewiesen werden. Bei DSHA zeigte sich, dass die sterisch ungünstige cis-Konfiguration schlechter ins Gel eingebaut wird als die trans-Konfiguration. Mit DSHA und Bis(2-aminoethyl)amin gelang es, einen alternierenden elektrostatischen Schicht- für Schicht-Aufbau im Gel zu demonstrieren. Katalytisch aktive Hydrogele konnten durch Einbau von Palladium- und Platin-Nanopartikeln oder Wolframoxidionen erzeugt werden. Katalytische Reaktionen wie z.B. die Reduktion von 4-Nitrophenol, eine Suzuki-Kreuzkupplung, Photooxidation von Isopropanol und Photozersetzung von Methylorange konnten mit Hilfe der Gele durchgeführt werden. Die katalytische Aktivität war durch Erhöhung der Temperatur über die Phasenübergangs-temperatur zu beeinflussen. Die Gele konnten mehrfach wiederverwendet werden. Durch Copolymerisation von (2S,4R)-4-(Acryloyloxy)pyrrolidine-2-carbonsäure (A-Prolin) mit NIPAM wurden Hydrogele für die Organokatalyse hergestellt. Es zeigte, dass die Anwesenheit von A-Prolin sowohl die Quelleigenschaften als auch die Phasenübergangstemperatur erheblich beeinflusst. Durch den Einbau von Magnetit-Partikeln in ein Gel auf Basis von NIPAM, 2-Acrylamido-2-methyl-1-propan-sulfonat (AMPS) und einem nichtionischen Tensidmonomer konnte ein thermischer Phasenübergang in einem äußeren magnetischen Wechselfeld bewirkt werden. Antimikrobiell wirksame Hydrogele konnten durch Funktionalisierung mit Silber-Partikeln hergestellt werden. Außerdem gelang es NIPAM- und AS-basierte Hydrogele für die Wirkstofffreisetzung herzustellen. Es zeigte sich, dass die Gele eine konstante Freisetzung von Wirkstoffen wie z.B. Ibuprofen und L-Dopa in simulierter Magensäure (pH 1,2) oder einer phosphatgepufferten wässrigen Lösung (pH 6,8) aufweisen.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Aim of this work is the synthesis and functionalization of copolymer hydrogels based on N-isopropylacrylamide (NIPAM), acrylic acid (AA) and surfactant monomers (surfmers). The hydrogels were synthesized via γ-irradiation polymerization. The functionalization was carried out via diffusion, ion exchange or copolymerization of the functional molecules. The functionalized gels are suitable as active materials for optical sensor, catalysis or biomedical applications. Highly sensitive optical sensor hydrogels were obtained upon incorporation of chemochromic azobenzene derivatives such as 4,4´-di(6-sulfato-hexyloxy)azobenzene (DSHA) and 2,2´-azinobis(3-ethylbenzo-thiazolin-6-sulfonate) (ABTS) into the hydrogel network. According to characteristic color changes caused by the different oxidation states of the azobenzene compound, various oxidants could be determined successfully and the ABTS dianion acts as a cross-linking agent in the gel. For DSHA it was found that the sterically unfavourable cis-configuration was much less incorporated in the gel than the trans-configuration. The DSHA Dianions could be used for alternating electrostatic layer-by-layer deposition with a trisamine. Catalytically active hydrogels could be prepared via incorporation of palladium and platinum nanoparticles, or decatungstate polyanions. A number of catalytic reactions such as reduction of 4-nitrophenol, Suzuki cross-coupling, oxidation of isopropanol or photodegradation of methyl orange were successfully carried out. The functionalized hydrogels exhibit a high stability and notable reusability. The catalytic activity could be controlled by temperature variation above the lower critical solution temperature. Copolymerization of (2S,4R)-4-(acryloyloxy)pyrrolidine-2-carbonic acid (A-Prolin) with NIPAM, led to functional hydrogels for organocatalysis. Magnetic hydrogels based on NIPAM, 2-acrylamido-2-methyl-1-propan-sulfonate (AMPS) and non-ionic surfmers were synthesized via incorporation of magnetite. The gels exhibit temperature-induced phase transitions in oscillating magnetic field. Antimicrobial hydrogels could be prepared upon functionalization with silver nanoparticles. Furthermore, NIPAM- and AA-based hydrogels were successfully developed for drug delivery. The gels exhibit a constant release of active ingredients such as L-Dopa or Ibuprofen in simulated gastric fluid (SGF, pH 1.2) and phosphate buffered solution (PBS, pH 6.8). English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kraus, Katharina Elisabeth Katharina.e.kraus@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-59220
Date:	2014
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Physical Chemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Hydrogel German NIPAM German Katalyse German Freisetzung German Acrylsäure German Funktionalisierung German
Date of oral exam:	4 December 2014
Referee:	Name Academic Title Tieke, Bernd Prof. Dr. Schmidt, Annette Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5922