"Smart" Hydrogels based on Trishydrophilic Triblock Terpolymers

Titelangaben

Reinicke, Stefan:
"Smart" Hydrogels based on Trishydrophilic Triblock Terpolymers.
Bayreuth , 2011
( Dissertation, 2011 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The work presented in this thesis focuses on the synthesis of double stimuli-responsive, trishydrophilic triblock terpolymers and their utilization for the construction of “smart” hydrogel systems, responding to a variety of external stimuli. The central focus was put on ABC triblock terpolymers composed of a pH-sensitive A block, a water soluble B block and a thermo-sensitive or multi-responsive C block. This concept was used for the construction of hydrogels responding independently to pH, temperature, and UV light. It was further applied to the formation of polymer/nanoparticle hybrid micelles suitable for the formation of magneto-responsive hydrogels (ferrogels). At first, a new route for the synthesis of block copolymers, containing ethylene oxide and glycidol derivatives, was developed. The crucial aspect of this procedure, based on sequential anionic polymerization, was the utilization of the phosphazene base t-BuP4, enabling the anionic polymerization of epoxide monomers in the presence of lithium counterions. It was shown, that ethoxyethyl glycidyl ether polymerizes easily under the established polymerization conditions without unwanted termination. Hence, we were able to synthesize well-defined block copolymers containing vinyl and epoxide monomers in a one-pot reaction, without performing additional intermediate steps. This new synthetic route was then utilized to synthesize a series of poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(glycidyl methyl ether-co-ethyl glycidyl ether) (P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE)) triblock terpolymers suitable for pH and temperature dependent hydrogel formation. The reversible gelation for this particular system relies on two distinct mechanisms. Under conditions, where only one outer block is insoluble, core-shell-corona (CSC) micelles are formed, resulting in gelation via close cubic packing of the micelles. On the other hand, the micelles are also able to crosslink through their corona when both outer blocks are insoluble. As a direct consequence, a temperature triggered gel-sol-gel transition occurred at pH = 7, accompanied by a unique gel strengthening. Solubility and gelation studies were performed by DLS, rheology and SANS. The influence of polymer concentrations and block lengths on the gelation behavior and gel properties was studied. In order to derive information about the exact structure of the cubic lattice formed in the low temperature gel phase (simple cubic or body centered cubic), a 19 wt% aqueous solution of a particular P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE) triblock terpolymer at pH = 7 was further investigated using SANS under steady shear. By application of shear stress, the irregularly arranged polydomains of the sample oriented macroscopically along a preferred direction, which led to highly defined, strongly anisotropic 2D scattering patterns. The interpretation of these patterns confirmed the presence of a body centered cubic packing. The gel-sol transition upon temperature increase can be explained by a shrinkage of the shell of the CSC micelles. To increase the versatility of the established hydrogel concept, we further synthesized ABC triblock terpolymers with different responsive polymers as C blocks. This required an alternative synthetic route, combining anionic polymerization and ATRP via “click” chemistry. After optimization of each synthetic step, exemplary poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (P2VP-b-PEO-b-POEGMA) and poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(dimethyl- aminoethyl methacrylate) (P2VP-b-PEO-b-PDMAEMA) triblock terpolymers were synthesized, respectively, and characterized regarding their solubility and gelation behavior. At pH > 5, P2VP-b-PEO-b-PDMAEMA forms CSC micelles with a P2VP core, and a pH- as well as thermo-sensitive PDMAEMA corona. This particular structure represents a hydrogel, whose temperature dependent response can be easily changed from a gel-sol to a sol-gel transition by increasing the pH from 8 to 9. At pH = 7.5 on the other hand, gel formation is induced by the addition of hexacyanocobaltate(III) ions due to electrostatic interactions between the multivalent cobaltate ions and the charged DMAEMA units, causing a physical crosslinking of the CSC micelles. The gel can subsequently be disintegrated by an exposure to UV-light, based on a UV-catalyzed aquation of the trivalent hexacyanocobaltate(III) ions ions to divalent aquapentacyanocobaltate(III)-ions. In the last part, a new approach was developed to create a novel type of magnetic field-responsive hydrogels (ferrogels), in which the nanoparticles are tightly bound to the polymer matrix. The P2VP block of the previously synthesized P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE) triblock terpolymers was quaternized to a low extent and complexed with negatively charged, citrate stabilized maghemite (γ-Fe(III)-oxide) nanoparticles. Using different analytical methods it was shown that well-defined CSC hybrid micelles were obtained with cores formed by a complex of P2VP and 3-4 nanoparticles per core. Concentrated solutions of these micelles are able to form gels depending on temperature, as revealed by rheology measurements. Due to the presence of the maghemite particles, it is possible to induce gelation via remote heating using AC magnetic fields, which was demonstrated by high frequency magnetocalorimetry.

Abstract in weiterer Sprache

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Synthese von doppelt stimuli-sensitiven, trishydrophilen Triblockterpolymeren und deren Einsatz zur Herstellung “intelligenter” Hydrogelsysteme, welche auf verschiedene externe Stimuli reagieren. Der Schwerpunkt der Arbeit lag dabei auf ABC Triblockterpolymeren bestehend aus einem pH-sensitiven A-Block, einem wasserlöslichen B-Block und einem thermo- oder multi-sensitiven C-Block. Dieses Konzept wurde sowohl für die Herstellung von Hydrogelen angewendet, die unabhängig auf pH- und Temperaturänderungen sowie UV-Licht reagieren, als auch zur Synthese von Polymer/Nanopartikel-Hybridmizellen, die sich zur Herstellung von Ferrogelen eignen. Zu Beginn wurde ein Syntheseweg für die Herstellung von Blockcopolymeren, welche Ethylenoxid und Glycidolderivate enthalten, entwickelt. Der entscheidende Punkt dieses auf sequentieller anionischer Polymerisation basierenden Synthesewegs war der Einsatz der Phosphazenbase t-BuP4, da diese die anionische Polymerisation von Epoxidmonomeren auch in der Gegenwart von Lithiumgegenionen ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass Ethoxyethylglycidylether unter den gewählten Bedingungen ohne unerwünschte Abbruchreaktionen polymerisiert. Dadurch konnten definierte Blockcopolymere, die sowohl Vinyl- als auch Epoxidmonomere enthalten, in einer Ein-Topf-Reaktion hergestellt werden, ohne weitere Zwischenschritte durchführen zu müssen. Die neue Syntheseroute wurde anschließend genutzt, um eine Serie von Poly(2-vinylpyridin)-block-polyethylenoxid-block-poly(glycidylmethylether-co-ethylglycidylether) (P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE)) Triblockterpolymeren zu synthetisieren, die pH- und temperaturabhängig Hydrogele bilden. Die reversible Gelierung des gewählten Systems basiert dabei auf zwei verschiedenen Mechanismen. Wenn nur einer der beiden Außenblöcke unlöslich ist, bilden sich Kern-Schale-Korona (CSC) Mizellen, die sich in einer kubisch-dichtesten Packung anordnen. Der zweite Gelierungsmechanismus beruht auf der Möglichkeit, die Mizellen über ihre Korona zu vernetzen, indem der zweite Außenblock ebenfalls unlöslich geschaltet wird. Als direkte Konsequenz konnte bei pH > 5 und entsprechender Temperaturerhöhung ein Gel-Sol-Gel Übergang beobachtet werden, welcher mit einer ungewöhnlichen Gelverfestigung einhergeht. Untersuchungen zur Löslichkeit und zum Gelierungsverhalten wurden mittels DLS, Rheologie und SANS durchgeführt. Desweiteren wurde der Einfluss der Blocklängen und Konzentrationen auf die Geleigenschaften studiert. Im Anschluss wurde eine 19 %ige Lösung eines konkreten P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE) Triblockterpolymers bei pH = 7 weiter untersucht um die exakte Struktur der kubisch-dichtesten Mizellpackung (kubisch primitiv oder kubisch raumzentriert) innerhalb des Gels bei niedriger Temperatur zu bestimmen. Dazu wurden SANS Messungen unter dem Einfluss von Scherung durchgeführt. Durch das Anlegen einer Scherkraft orientieren sich die zunächst irregulär angeordneten Polydomänstrukturen makroskopisch entlang einer Vorzugsrichtung, was zu hochdefinierten, anisotropen 2D-Streubildern führt. Die Interpretation dieser Muster ergab, dass es sich um eine kubisch raumzentrierte Packung handelt. Der bei Temperaturerhöhung stattfindende Gel-Sol Übergang kann mit einem Schrumpfen der Mizellschale erklärt werden. Um die Vielseitigkeit unseres Hydrogelkonzeptes zu erhöhen, haben wir es in einem nächsten Schritt auf ABC Triblockterpolymere mit anderen stimuli-sensitiven Polymeren als C-Blöcke erweitert. Dieses Anliegen verlangte jedoch eine alternative Syntheseroute, welche anionische Polymerisation mit ATRP über „Click“-Chemie kombiniert. Nach der Optimierung der einzelnen Syntheseschritte wurden exemplarische Poly(2-vinylpyridin)-block-polyethylenoxid-block-poly(oligoethylenglykol)methacrylat (P2VP-b-PEO-b-POEGMA) und Poly(2-vinylpyridin)-block-polyethylenoxid-block-polydimethylaminoethylmethacrylat (P2VP-b-PEO-b-PDMAEMA) Triblockterpolymere synthetisiert und bezüglich ihres Löslichkeits- und Gelierungsverhaltens charakterisiert. Bei pH > 5 bilden sich aus P2VP-b-PEO-b-PDMAEMA CSC Mizellen mit einem P2VP-Kern und einer pH- und thermo-sensitiven PDMAEMA Korona. Diese spezielle Struktur führt zu einem Hydrogel, dessen thermo-sensitives Verhalten sich durch einfache Erhöhung des pH-Werts von 8 auf 9 von einem Gel-Sol- zu einem Sol-Gel-Übergang umschalten lässt. Bei pH = 7.5 dagegen kann eine Gelbildung durch die Zugabe von Hexacyanocobaltat(III)-ionen induziert werden, bedingt durch einen Vernetzungseffekt basierend auf elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den mehrwertigen Cobaltationen und geladenen DMAEMA Einheiten. Dieses Gel lässt sich anschließend durch eine UV-katalysierte Hydratation der dreiwertigen Hexacyanocobaltat(III)-ionen Ionen zu zweiwertigen Aquapentacyanocobaltat(III)-ionen (Photo-Aquation) wieder zerstören. Im letzten Teil der Arbeit wurde ein neues Konzept zur Herstellung neuartiger magnetfeld-sensitiver Hydrogele (Ferrogele), in denen die entsprechenden Nanopartikel fest an die Polymermatrix gebunden sind, entwickelt. Der P2VP-Block der zuvor synthetisierten P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE) Triblockterpolymere wurde zu einem geringen Grad quaternisiert und mit negativ geladenen, citratstabilisierten Maghemitnanopartikeln (γ-Fe(III)-oxid) komplexiert. Mittels verschiedener Analysemethoden konnte gezeigt werden, dass dieses Verfahren zu wohldefinierten CSC-Hybridmizellen führt, deren Kern aus einem Komplex aus quaternisiertem P2VP und je 3-4 Nanopartikeln besteht. Konzentrierte Lösungen dieser Mizellen sind in der Lage temperaturabhängig zu gelieren, was mittels Rheologiemessungen demonstriert wurde. Durch die Anwesenheit der Maghemitpartikel ist es zudem möglich, eine Gelbildung zu induzieren, welche auf Hitzeentwicklung durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds basiert. Dies konnte durch Hochfrequenz-Magnetokalorimetriemessungen gezeigt werden.