Entwicklung von nanostrukturierten responsiven Hybridsystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch die Kombination von magnetischen Nanopartikeln mit maßgeschneiderten Polymerhüllen entstehen neuartige, stimuli-sensitive Systeme, in denen die thermischen und magnetischen Eigenschaften der Hybride wechselseitig voneinander abhängen. Dazu werden magnetische Nanopartikel mit einem Mantel aus endgepfropften Polymerarmen versehen, wodurch die kolloidalen Eigenschaften der Hybridpartikel durch Art und Länge der Polymerarme eingestellt werden können. Die Hybridpartikel werden ihrer polymeren Peripherie so funktionalisiert, dass eine Anbindung biologischer Spezies oder von katalytisch aktiven Gruppen möglich ist. Durch die kovalente Verknüpfung von organischen, anorganischen und biologischen Komponenten entehen neuartige Hybridmaterialien und Netzwerkarchitekturen, wie Polymerbürstenpartikel, Kern-Schale-Mikropartikel und partikelvernetzte Gele. Durch die Kombination thermo- und magnetoresponsiver Komponenten werden so einerseits multifunktionale Hybridpartikel erhalten, die in biomedizinische Anwendungen eine magnetische Separation, Detektion und/oder eine gezielte magnetische Erwärmbarkeit von markierten biologischen Spezies erlauben. Dies konnte anhand von Modellsystemen für die magnetoresponsive Freisetzung und magnetisch gesteuerten enzymatischen Reaktionssystemen demonstriert werden. Das Konzept wurde weiterhin erfolgreich auf Biomarker und Kontrastmittel übertragen. Die Anknüpfung von Katalysatorgruppen führt andererseits zu mehrphasigen magnetoresponsiven Reaktionssystemen, in denen die katalytische Aktivität über die innere Grenzflächenkonzentration gesteuert werden kann. Magnetische gesteuerte Emulsionen erlauben hiernach zunächst die Verkapselung von Reaktanden, um im Anschluss an eine (magnetisch gesteuerte) Grenzphasenkatalyse die Reaktionsphasen wiederum voneinander zu trennen und aufzureinigen. Darüber hinaus werden nanostrukturierte Polymer-Compositmaterialien untersucht, in denen die zugrundeliegenden magnetische Partikel-Partikel-Interaktion sowie Partikel-Matrix-Interaktion studiert werden können. Durch den Einbau peripherie-funktionalisierter magnetischer Nanopartikel in seitenketten-nematische Elastomere entstehen außerdem magnetoresponsive Aktuatoren, die in ihrer Antwortzeit sowie der Eindringtiefe mit temperatur- und lichtinduzierter Aktuatorsystemen konkurrieren können. Die Projektziele wurden somit sämtlich umfassend erreicht. Darüber hinaus haben die Ergebnisse dieses Projekts Zugang zu einer Vielzahl potentieller Anwendungen geebnet, darunter zu Magnetokompositen aller Art mit einer definierten Struktur durch die Entwicklung einer generischen Baukastensystems zur kovalenten Verknüpfung organischer und anorganischer Komponenten, zu magnetisch gesteuerten Wirkstofffreisetzungs- und Reaktionssystemen und zu magnetischen Speichermaterialien. Die Resultate dieses Emmy-Noether-Projekts haben weiterhin entscheidend zur wissenschaftlichen Fortentwicklung der Arbeitsgruppe beigetragen, wie anhand des großen Spektrums an wissenschaftlichen Karriereresprüngen einerseits und an einem breiten Strauß an Folgeprojekten sowie drei größeren industriellen Projekten andererseits dokumentiert werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Magnetic Nanorotors with Tailored Field-induced Dynamics”, Chem. Mater. 20, 2942–2948 (2008)
M. Feyen, E. Heim, F. Ludwig, A. M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/cm703419t) - “One-Step Synthesis of Functional Co Nanoparticles for Surface-Initiated Polymerization”, Polymer 49, 2211–2216 (2008)
C. Gürler, M. Feyen, S. Behrens, N. Mattoussevitch, A. M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymer.2008.03.012) - “Magnetic Capsules and Pickering Emulsions Stabilized by Core-Shell Particles”, Langmuir 25, 7335 (2009)
A. Kaiser, A. M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/la900401f) - „Magnetoactive Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites“, J. Mater. Chem. 19, 538-543 (2009)
A. Kaiser, M. Winkler, S. Krause, H. Finkelmann, A. M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/B813120C) - "Determination of core and hydrodynamic size distributions of CoFe2O4 nanoparticles suspensions using ac susceptibility measurements", J. Appl. Phys. 108, 033918 (2010)
F. Ludwig, A. Guillaume, M. Schilling, N. Frickel, A. M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3463350) - “Active Ester Functional Single Core Magnetic Nanostructures as a Versatile Immobilization Matrix 28 Zitate for Effective Bioseparation and Catalysis“, Biomacromolecules 11, 635–642 (2010)
T. Gelbrich, M. Reinartz, A. M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/bm901203z) - “Functional Silanes as Surface Modifying Primers for the Preparation of Highly Stable and Well-Defined Magnetic Polymer Hybrids”, Langmuir 26, 2839–2846 (2010)
N. Frickel, R. Messing, T. Gelbrich, A. M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/la902904f) - „Reversible Thermoflocculation of Magnetic Core-Shell Particles Induced By Remote Magnetic Heating“, Polymer 51, 2818–2824 (2010)
T. Gelbrich, G. U. Marten, A. M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymer.2010.02.032) - "Water-Soluble Superparamagnetic Magnetite Nanoparticles with Biocompatible Coating for Enhanced Magnetic Resonance Imaging", ACS Nano 5, 6315–6324 (2011)
L. Xiao, J. Li, D. F. Brougham, E. K. Fox, N. Feliu, A. Bushmelev, A. M. Schmidt, N. Mertens, F. Kiessling, M. Valldor, B. Fadeel, S. Mathur
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nn201348s) - “Metal Carbonyls Supported on Iron Oxide Nanoparticles to trigger the CO-Gasotransmitter Release 51 Zitate by Magnetic Heating”, Chem. Commun. 49, 4896-4898 (2013)
P. Kunz, H. Meyer, J. Barthel, S. Sollazzo, A. M. Schmidt, C. Janiak
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c3cc41411f)
