Selbstassemblierung von Polymeren

Herstellung verschiedener Nanostrukturen aus (Block-)copolymeren oder mittels kontrollierter Polymerisationsprozesse

Kinetische Strukturkontrolle bei Blockcopolymer-Selbstassemblierung

Schematische Darstellung der Selbstorganisation von Blockcopolymeren zu Sphären, Würmern und Vesikeln (Abbildung: Johannes C. Brendel)

Die Selbstassemblierung von Blockcopolymeren in selektiven Lösemitteln stellt eine vielseitige Methode dar, polymere Nanostrukturen unterschiedlicher Größe, Form und Funktionalität zu bilden. Kinetische Aspekte des Selbstassemblierungsprozesses werden häufig wenig beachtet, während der Fokus meist auf thermodynamischen Parametern gelegt wird und die Blocklängen variiert werden. Allerdings bilden sich gerade in wässriger Umgebung leicht kinetisch gehemmte Strukturen aus und ein thermodynamischen Gleichgewicht wird womöglich nie erreicht. Wir untersuchen daher den Einfluss verschiedene Parameter (z.B. Lösemittel, Konzentration, Zugaberate, etc.) auf die Morphologiebildung bei der Assemblierung von Blockcopolymeren. Beispielsweise lassen sich durch gezielte Manipulation der Assemblierungsbedingungen sphärische und wurmartige Mizellen, als auch Polymervesikel aus identischen Blockcopolymeren herstellen.

Polymerisations-induzierte Selbstassemblierung (PISA)

PISA Phasendiagramm (Abbildung: Johannes C. Brendel)

Während der Polymerisations-induzierte Selbstassemblierung (PISA) führt die Polymerisation eines unlöslichen Blocks zeitgleich zu einer Selbstassemblierung. Hierdurch entstehen in situ Blockcopolymer-Nanostrukturen, deren Morphologie von Mizellen bis zu Vesikeln reicht. Wir beschäftigen uns vor allem mit der Variante der RAFT-Dispersionspolymerisation in wässrigen Medien, beispielsweise von N-Acryloylthiomorpholine (NAT), oder auch anderen wasserlöslichen Monomeren, die hydrophobe Polymere bilden. Unser Fokus liegt dabei auf Untersuchungen der Kinetik und der Entwicklung verschiedener Morphologien. Die Reaktionen werden hierbei meist auch als "Eintopf"-Synthesen durchgeführt, bei der beide Blöcke sequenziell im gleichen Reaktionsablauf polymerisiert werden ohne aufwändige Zwischenaufreinigungen. Wir erhalten bereits jetzt verschiedenste Nanostrukturen bzw. Morphologien bei unterschiedlichen Polymerisationsparametern und können ganze Phasendiagramme aus diesen Zusammenhängen entwerfen. Diese Vielfalt an Nanostrukturen bei hohen Konzentrationen und die Möglichkeit sowohl hydrophobe als auch hydrophile Substanzen schon während der Polymerisation einzukapseln versprechen vor allem im biomedizinischen Bereich großes Anwendungspotential.