Herstellung und Charakterisierung von Polymernanopartikeln mit Aktivester-Oberfläche

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Syntheseweg für neue, modular aufgebaute Surfmere zur Nanopartikel-Herstellung entwickelt. omega-Aminosäuren wie 11-Aminoundecan-säure und 6-Aminohexansäure wurden erfolgreich zur zweistufigen Synthese von p-(11-Acrylamido)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (AUPDS), p-(11-(Meth-acrylamido)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (MUPDS), p-(6-(Acryl-amido)hexanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (AHPDS) und p-(6-(Malein-imidio)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (MIHPDS) eingesetzt. Die Surfmere AUPDS und MUPDS besitzen grenzflächenaktive Eigenschaften und senken die Oberflächenspannung der Luft/Wasser-Grenzfläche auf 40,5 mN m-1 (AUPDS) und 58,5 mN m-1 (MUPDS). Die kritische Mizellbildungskonzentration für MUPDS ist mit 3,2 mmol/L niedriger ist als die für AUPDS mit 6,0 mmol/L. AUPDS und MUPDS beanspruchen mit 1,42 nm² und 1,69 nm² mehr Fläche als das bereits bekannte Surfmer p-(11-Undecenoyloxy-phenyl)dimethylsulfoniummethylsulfat (UPDS) mit 1,05 nm². Die chemische Reaktivität von AUPDS und MUPDS wurde anhand von Umsetzungen der Surfmere mit Ethanolamin, n-Butylhydrazid und dem Protein Streptavidin untersucht. AUPDS und MUPDS können als polymerisierbare Tenside bei der Emulsionspolymerisation von Methylmethacrylat (MMA) oder Styren (St) eingesetzt werden. Mit beiden Comonomeren wurden unter Verwendung von 2,2’-Azobis-(2-Methylpropion-amidin)dihydrochlorid (AIBA) als Initiator Polymer-Nanopartikel hergestellt. Die Copolymerisation von AUPDS und MMA zu p(MMA-co-AUPDS) wurde durch die 1H-NMR Analyse der Emulsionspolymerisationsprodukte nachgewiesen. Ausserdem wurde anhand von Elementaranalyse und durch Polyelektrolyttitration zwischen dem copolymerisierten AUPDS im Partikelinnern und auf der Partikeloberfläche differenziert. Die Berechnung der Oberflächenladungsdichte auf den Partikeln aus den Daten der Polyelektrolyttitration ergibt eine Fläche von 1,24 nm² bis 0,70 nm² pro Aktivester-Gruppe. Die Abhängigkeit der Partikelanzahl von der Surfmerkonzentration folgte für den Konzentrationsbereich unterhalb der CMCAUPDS der von SMITH und EWART beschriebenen Gesetzmäßigkeit. Die Kinetik der Copolymerisation von AUPDS und MMA folgt weitgehend dem Drei-Phasen-Modell nach HARKINS. Durch die größere Surfmer-Konzentration wurde die maximale Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeit in der zweiten Phase erhöht und die Partikelanzahl vergrößert. Auch wenn MUPDS in gleicher Konzentration statt AUPDS zur Emulsionspolymerisation eingesetzt wurde, blieben die Parameter der Polymerisations-Kinetik weitgehend unverändert. Der Einfluss der Surfmerkonzentration auf den Partikeldurchmesser und die daraus berechnete Partikelanzahl wurde für die Comonomersysteme p(MMA-co-AUPDS) und p(St-co-AUPDS) untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Partikelgröße der p(MMA-co-AUPDS)-Partikel mit steigender Surfmerkonzentration abnimmt. Diese Abnahme war oberhalb der CMC von AUPDS weniger stark als unterhalb. Dieses Verhalten wurde auf eine zunehmende mizellare Nukleation oberhalb der Mizellbildungskonzentration zurück-geführt. Wurde Styren als Comonomer eingesetzt, entstehen im gleichen Konzentrationsbereich Partikel mit mittleren hydrodynamischen Durchmessern von 58 nm bis 127 nm. Die Aktivester-Funktionen der p(MMA-co-AUPDS)-Partikel wurden mit Ethanolamin, n-Butylhydrazid, Flouresceinamin und Streptavidin umgesetzt. Vom copolymerisierten Surfmer konnten 2,1 mol-% bis 13,3 mol % mit 6-Fluoresceinamin umgesetzt werden. Diese Menge an Surfmer entspricht einem Gehalt von bis zu 9,6 µmol reaktiven Aktivester-Gruppen pro 1 g Polymer. Die Umsetzung der partikelgebundenen Aktivester-Funktionen mit Streptavidin wurde durch MALDI-TOF-MS Messungen belegt und durch Titration der Partikel mit Biotin-4-Fluorescein quantifiziert. Auf 1 g p(St-co-AUPDS)-Partikel wurden bis zu 28 mg Streptavidin immobilisiert. Ausserdem wurde mit dem durch dynamische Lichtstreuung gemessenen Durchmesser die Gesamtoberfläche der p(St-co-AUPDS)-Partikel berechnet. Damit wurde abgeschätzt, dass ein Streptavidin Tetramer einen Bereich von (160 ± 20) nm² belegt. Die Langzeitstabilität der Latices bezüglich der Hydrolyse der Aktivester-Gruppen wurde kalorimetrisch untersucht. Die p(St-co-AUPDS)-Partikel wurden dazu mit dem durch eine aromatische Amin-Funktion nukleophilen Farbstoff Remazolblau titriert. Die Endpunktsbestimmung erfolgte mit isothermaler Titrations-Mikrokalorimetrie. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl bei einer Aufbewahrungstemperatur des Latex von 25 °C als auch bei 6 °C eine Hydrolyse der Aktivester-Funktionen der p(St-co-AUPDS)-Partikel stattfindet. Die Halbwertszeit der Hydrolyse konnte von 9 Tagen auf 65 Tage verlängert werden, wenn die Partkel statt bei 25 °C bei 6 °C aufbewahrt wurden.

The presented work describes a straightforward synthetic route to the new designed modular active ester surfmers, p-(11-(Acrylamido)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfonium methyl-sulfate (AUPDS), p-(6-(Acrylamido)hexanoylyloxy)phenyldimethylsulfonium methylsulfate (AHPDS) p-(11-(Methacrylamido)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfonium methylsulfate (MUPDS), p-(6-(N-Maleinimido)hexanoyloyloxy)phenyldimethylsulfonium methylsulfate (MIHPDS) bearing activated ester groups. The chosen synthetic procedure proved to require only relatively simple reactions and resulted in the target molecules with a high yield. This synthetic route opens the way to a flexible choice of spacer length by choosing a ω-aminocarboxylic acid and an easy adaption for a large variety of polymerizable groups by varying the polymerizable acid chlorides. The determination of the surface activity and the critical micelle concentration (CMC) for MUPDS and AUPDS showed that AUPDS lowered the air-water surface tension to 40.5 mN/m, whereas MUPDS was less surface active (58.5 mN/m). Micellation occurs at surfmer concentrations of 3.2 and 6.0 mmol L-1 for MUPDS and AUPDS, respectively. The built-in activated ester of AUPDS and MUPDS showed sufficient reactivity in aqueous solution against nitrogen-nucleophiles such as ethanolamine and n-butylhydrazide. The surfmeres are also able to acylate the lysine groups of the protein streptavidine up to five (AUPDS) or three times (MUPDS), which was determined using Mass-Spectrometry. Microbiological experiments revealed the bactericidal effect of unpolymerized AUPDS. This effect was demonstrated by using gram+ Mikrococcus luteus and gram- Echerichia coli in growth inhibition experiments. It was supposed that the effect was evoked by the positively charged sulfonium group of the surfmer molecule. The copolymerization behaviour of AUPDS and MUPDS with the comonomers methylmetacrylate (MMA) and styrene (St) was studied focused on the polymerization kinetics and the composition of the copolymers. The copolymerisation of AUPDS and MMA or St was shown by 1H-NMR of the resulting polymers. The size of the resulting p(MMA-co-AUPDS) particles showed a clear dependence on the surfmer concentration. AUPDS starting concentrations from 0.5 mmol/L to 50 mmol/L led to particles with an average hydroydynamic diameter from 161 nm to 109 nm. Both scanning force and scanning electron microscopy proved a narrow size distribution of the particle charges. The full width at half maximum of the distribution was approximately 30 nm. The particles showed a zeta-potential in the range from 20 mV to 24 mV as analysed by micro-electrophoresis which corresponded to the electrostatic stabilization by the positively charged sulfonium group of the surfmer. The titration results quantified the molarlity of surfmer groups on the particle surface to an amount of 48 µmol/g to 95 µmol/g. This corrospondes to an AUPDS recovery rate which ranged from 36 mol-% to 62 mol-%. The total amount of copolymerized AUPDS was obtained by elemental analysis. The resulting data pointed out that the average AUPDS recovery rate averages 82 mol-%. Considering the different recovery rates by the two methods, there has to be an effect that causes burying of the surfmer in the cores of the particles. This effect could be caused by micellar nucleation of the surfmer, when the copolymerization was carried out above the CMC. Polymerization kinetics were examined by gravimetric analysis of the time dependent monomer-to-polymer conversion. Therefore we copolymerized AUPDS and MMA initiated by AIBA in an aqueous emulsion at 60 °C. In general, consistence was found with the HARKINS three stage model of emulsion polymerization. In the first stage an increasing conversion rate was observed caused by an increasing particle nucleation. The second stage was characterized by a maximum conversion rate up to 1 mmol/(s L). In the last stage there was a declining conversion rate down below 1 mmol /(s L). 36 mol-% to 62 mol-% of the AUPDS employed in the emulsion polymerization with MMA was copolymerized with the comonomer, and about 2.1 mol-% to 13.3 mol-% of these surfmer molecules reacted with fluoresceineamine as a nucleophile. This corresponded to a concentration of reactive sites of up to 9.6 µmol fluorescent dye per 1 g particles. Further on the p(MMA-co-AUPDS) particles were reacted with ethanolamine and n-butylhydrazide. The conversion of the surface bound activated esters was analyzed by microelectrophoresis, and the observed zeta-potential shifts indicated the modification of the particle surface. Up to 28 mg streptavidin was immobilized per 1 g p(St-co-AUPDS) particles as determined by fluorescence titration with a fluorescent biotin derivate. The reaction was carried out in a phosphate buffer with a pH of 7.5 and by shaking the reaction sample at room temperature over night.