TY  - THES
A1  - Völker, Sebastian
T1  - Synthesis, Spectroscopic and Electrochemical Properties of Squaraine Polymers
T1  - Synthese, Spektroskopische und Elektrochemische Eigenschaften von Squaraine Polymeren
N2  - In this work the synthesis, the spectroscopic and electrochemical investigation as well as some applications of a broad diversity of indolenine squaraine dyes were presented. This diversity was based on two parent squaraine dyes, one standard trans-configured compound (M1) and one in which one central oxygen atom was replaced by a dicyanomethylene moiety (M2), which increased the acceptor strength and induced a cis-configuration. The variety of synthesised dyes included functionalised squaraine monomers, donor- and acceptor-substituted monomeric model squaraines, donor- and acceptor-squaraine copolymers, pure squaraine homopolymers, a squaraine-squaraine copolymer, as well as some conjugated cyclic oligomers.
 
In order to be able to synthesise all these different kinds of dyes, several bromine and boronic ester derivatives were synthesised, which enabled the use of the Suzuki cross coupling reaction, to generate model dyes and copolymers. In addition, the bromine derivatives were used to carry out the Yamamoto homocoupling reaction to the respective homopolymers and macrocycles.
The absorption maximum of unsubstituted reference dye M1 was found at ~ 15500 cm–1, while that of M2 was red-shifted to ~ 14300 cm–1 due to the increased acceptor strength of the central unit. The extinction coefficients were in the order of ~ 300000 M–1 cm–1 and ~ 200000 M–1 cm–1, respectively. It was found that the implementation of functional groups (M3–M9), additional electron donors (M10–M19) or acceptors (M20–M22) at the periphery lead to bathochromic shifts of the absorption depending on the strength of either - and/or -donating properties of the substituents.
For the bis- and triarylamine substituted dyes M10–M13 and the dibrominated dyes M5 and M7 the electronic structure of the mono- and diradical (di)cations was explored using the interplay of cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry, and DFT calculations. It was demonstrated that the monoradical cations still show a cyanine-like character and are delocalised Robin-Day class III species due to the low redox potential of the squaraine bridge between the additional amine redox centres. To the best of my knowledge, this made M13+∙, with an N-N-distance of 26 bonds between the additional redox centres to the longest bis(triarylamine) radical cation that is completely delocalised. For the diradical dications, the situation was of larger complexity. The computed most stable energetic state of the dianisylamine-substituted dyes turned out to be a broken-symmetry state with almost equal contributions of an open-shell singlet and triplet state. In addition, it was shown that the HOMO–1→HOMO transition dominated the absorption spectra of the diradical dications where the trans-/cis-configuration of the squaraines had a direct impact due to symmetry reasons.
Based on the donor–squaraine model compounds M10–M19, a series of donor–squaraine copolymers was synthesised (P7–P12) in order to further red shift and broaden the low energy absorption band. However, these effects were only of marginal extent. Both the optical and the electrochemical derived band gaps were barely lowered compared to the respective monomeric model dyes. This was assigned to an increased squaraine-squaraine distance and resulting lower exciton coupling between the squaraine chromophores due to the bridging units. In addition, according to semiempirical calculations the bridges were twisted out of the squaraine plane what reduced conjugational effects between the chromophores. To sum up, the idea to insert additional electron rich bridging units in order to create copolymers with broad and red-shifted absorption did not fully work out for the presented systems.
The addition of strong electron accepting NDI units at the periphery resulted in M21, the most unique monomeric model squaraine in this work. The common picture of a sharp low energy squaraine absorption completely altered due to the addition of the NDIs and a rather broad and solvent dependent low energy absorption was found. Spectroelectrochemical experiments and semiempirical calculations showed that this band is a superposition of the common squaraine HOMO→LUMO transition and a partial squaraine→NDI charge transfer transition. The latter was lost upon oxidation of the squaraine and the absorption spectrum of the monocation of M21 was found to be nearly a 1:1 image of a pure squaraine monocation. Both the monomeric model M21 and the respective copolymer P13 showed low electrochemically obtained band gaps of 1.05–1.20 eV, which were the lowest of all squaraines in this work. For both dyes, transient absorption measurements in the fs-time regime revealed the ultrafast formation of a CS state via an intermediate CT state within a few ps. Besides, charge recombination to the ground state also occured within a few ps. In the polymer, there was barely any further energy or charge transfer within the excited state lifetime and therefore the CS state was confined on adjacent squaraine-NDI pairs and did not further travel along the polymer strand.
The Ni-mediated Yamamoto homocoupling reaction was applied for the synthesis of the homopolymers (P1–P5). In contrast to the donor–squaraine copolymers, those polymers revealed strongly red-shifted and broad absorption in the red to NIR region in addition to a sharp fluorescence. These features could be explained to originate mainly from the exciton coupling of localised excited states and the presence of different superstructures in solution. For the polymers P1 and P2, an elongated J-type polymer chain caused the strong lowest energy absorption band whereas a zig-zag type arrangement of the single chromophores lead to transitions into both low and high energy excited states of the excitonic manifold. For the polymers P3 and P4, several polymer fractions of different size were investigated. Here, also an elongated chain with J-type character induced the lowest energy absorption band whereas a helical H-type arrangement caused transitions to higher energies of the excitonic manifold. The fractions to which these structures were formed depended on the chain length and the solvent. In thin film measurements, it was shown that the initially in solution formed superstructures were partly retained in the thin film but could be altered by annealing procedures. A control of the superstructures should enable the controlled tuning of the optical properties. Despite the strong interaction of the chromophores in the excited state, the redox potentials of the homopolymers barely differed to those of the respective reference dyes, indicating negligible electronic interaction in the ground state.
In addition squaraine-squaraine copolymer P6, consisting of alternating parent dyes M1 and M2, was synthesised. Likewise to the homopolymers, a broad and red-shifted absorption was observed. This was explained by exciton coupling theory, which was extended to also suit alternating copolymers. In toluene, an extraordinary narrow and intense lowest energy absorption band was observed. This exchange narrowing might be a result of a highly ordered J-type structure of the polymer especially in this solvent because it was not found in others. The features of the polymer may be compared to typical J-aggregates formed from monomeric cyanine molecules for example and the polymer used as model for excitonic interactions in an alternating copolymer. Transient absorption measurements revealed a strong energy dependence of the decay traces of the copolymer, most strikingly at early decay times. This was assigned to the occurrence of multiple excitations of one polymer strand (due to the large extinction coefficients of the polymer) and resulting exciton-exciton annihilation. Due to the large exciton diffusion constants that were estimated, the static exciton-exciton annihilation was the rate limiting process of the decay, in contrast to other conjugated polymers, where in thin film measurements the decay was diffusion controlled.
To sum up, for the polymers consisting of exclusively squaraine chromophores, it was shown that the exciton coupling of single chromophores with strong transition dipole moments was a fruitful way to tune the absorption spectra.
As a side product of some of the polycondensation reactions, unprecedented cyclic conjugated oligomers such as the triarylamine-bridged dimer Dim1, the cyclic homotrimers Tri1–Tri3, and the tetramer Tet1 were obtained by recycling GPC in low yields. Especially the cyclic trimers showed unusual absorption and even more extraordinary fluorescence properties. They showed multiple fluorescence bands in the NIR that covered a range from ~ 8000–12500 cm–1 (800–1250 nm). First hints from theoretical calculations indicated that the trimer was not fully planar but comprised a mixture of both planar and bent single squaraine chromophores. However, final results of the calculations were still missing at the time of writing.
In the last part of this work, the application of some monomeric and polymeric squaraines in binary and ternary bulk heterojunction solar cells was demonstrated. Also the utilisation as a dopant in a polymer matrix in an OLED device was shown. The homopolymers P1–P4 were tested in the binary BHJ solar cells revealing poor performances and especially very low short circuit currents. The utilisation of the polymers P3 and P4 that carried the dicyanomethylene group resulted in higher open circuit voltages due to the lower LUMO energy levels but still an overall poor performance. Neither for the different alkyl chains nor for the size of the polymers was a trend observed. In the ternary BHJ solar cells, small amounts of either monomer M14 or polymers P1A, P4–1 or P13 were added to a P3HT/PCBM system in order to generate an additional pathway for charge or energy transfer that should result in a better device performance. However, for none of the tested squaraines, improved solar cells could be built. In similarity to the binary solar cells, the short circuit currents were lower compared to a P3HT/PCBM reference device. These low short circuit currents indicated that the morphology of the squaraine dyes was the major limitation in those devices. It is possible that the dimethyl groups at the indolenine hindered a favoured alignment of the compounds that would allow decent charge transport. In the squaraine doped OLED the squaraine M6 worked rather well as an NIR emitter. Already at low dye loads the fluorescence of the host polymer SY-PPV was completely quenchend and emission from the squaraine was observed. For electroluminescence measurements, a lower dye load (0.5 wt.%) compared to the photoluminescence measurements was sufficient, indicating that apart from FRET additional quenching mechanisms were at work in the electrically driven devices such as charge carrier dynamics.
N2  - In dieser Arbeit wurde die Synthese sowie die spektroskopische und elektrochemische Untersuchung einer Reihe unterschiedlichster Squarainfarbstoffe präsentiert. Darüber hinaus wurde in diversen Kooperationen deren Verwendung in optoelektronischen Bauteilen wie z.B. organischen Solarzellen und OLEDs untersucht. Die große Vielfalt der Squaraine basierte auf zwei Indoleninsquarain Stammverbindungen. Das Squarain M1 ist ein klassisches Squarain und zeigt eine trans-Konfiguration der Indoleningruppen zueinander. In M2 wurde ein Sauerstoffatom durch eine Dicyanomethylengruppe ausgetauscht, was zu einer höheren Elektronenakzeptorstärke sowie einer cis-Konfiguration des Squarains führt.
 
Die Vielfalt der darauf basierenden Squaraine beinhaltete neben den unsubstituierten Referenzverbindungen funktionalisierte Squaraine, donor- und akzeptorsubstitutierte monomere Modellverbindungen, Donor- und Akzeptor-Squarain Copolymere, reine Squarain Homopolymere, ein Squarain-Squarain Copolymer sowie diverse konjugierte makrozyklische Squaraine.
Um überhaupt diese Vielfalt synthetisieren zu können, wurde zunächst eine Reihe monomerer Squaraine mit Brom- oder Borestergruppen synthetisiert, welche sich mittels Pd-katalysierter Suzuki-Kupplung in donor- und akzeptorsubstituierte monomere Modelle und Copolymere überführen ließen. Des Weiteren wurden die bromfunktionalisierten Squaraine mittels der Ni-unterstützten Yamamoto-Kupplung zu Homopolymeren und den entsprechenden Makrozyklen umgesetzt.
Das Absorptionsmaximum der Referenzverbindung M1 lag bei ~ 15500 cm–1. Das von M2 lag aufgrund der erhöhten Akzeptorstärke des zentralen Bausteins bei ~ 14300 cm–1. Die Extinktionskoeffizienten waren erwartungsgemäß squaraintypisch hoch mit Werten von ~ 300000 M–1 cm–1, bzw. 200000 M–1 cm–1. Es wurde gezeigt, dass die Einführung von funktionellen Gruppen (M3–M9), zusätzlichen Elektronendonoren (M10–M19) oder -akzeptoren (M20–M22) an der Peripherie zu einer Rotverschiebung des Absorptionsmaximums führte, wobei das Ausmaß der Verschiebung von der - und/oder -Donorstärke der Substituenten abhing.
Im Falle der di- und triarylaminsubstituierten Squaraine M10–M13 und der dibromierten Squaraine M5 und M7 wurde die elektronische Struktur der Mono- und Diradikal(di)kationen untersucht, wofür das Zusammenspiel von Cyclovoltammetrie, Spektroelektrochemie und DFT-Rechnungen notwendig war. Es wurde gezeigt, dass sämtliche Monoradikalkationen den Cyanincharakter beibehalten und vollständig delokalisierte Verbindungen der Robin-Day Klasse III sind, was auf das niedrige Redoxpotential der Squarainbrücke zurückzuführen war. Mit einem N-N-Abstand von 26 Bindungen zwischen den zusätzlichen Redoxzentren ist M13+∙ dadurch das nach bestem Wissen längste komplett delokalisierte Bis(triarylamin) Radikalkation. Die Situation der Diradikaldikationen war etwas komplexer. Die theoretischen Berechnungen ergaben für die diarylaminsubstituierten Squaraine einen energetisch günstigsten Zustand, welcher aus gleichen Anteilen eines offenschaligen Singulett- und Triplettzustandes bestand. Darüber hinaus beherrschten die HOMO–1→HOMO Übergänge die Absorptionsspektren der Diradikaldikationen, in welchen auch direkt der Einfluss der cis-/trans-Konfiguration ersichtlich war.
Basierend auf den Donor–Squarain Modellverbindungen (M10–M19) wurde eine Reihe von Donor–Squarain Copolymere (P7–P12) synthetisiert, um eine weitere Rotverschiebung des Absorptionsmaximums sowie eine Verbreiterung der Absorptionsbande zu erreichen. Die Auswirkungen waren allerdings sehr gering und sowohl die optischen als auch die elektrochemischen Eigenschaften unterschieden sich kaum von denen der Modellverbindungen. Als Ursache wurde zum einen der durch die Brücke vergrößerte Abstand der Squaraine zueinander ausgemacht, welcher eine Verminderung der Exzitonkopplungsenergie bewirkte. Zum anderen zeigten semiempirische Berechnungen, dass die Brücken etwas aus der Ebene der Squaraine verdrillt waren, was zu einer Verminderung der konjugativen Effekte zwischen den Squarainen führte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Konzept eine breite niederenergetische Absorption der Farbstoffe zu schaffen, indem man die Squaraineinheiten mit zusätzlichen Elektronendonoren verbrückt, für die präsentierten Systeme nicht funktioniert hat.
Das Anbringen der starken NDI Elektronenakzeptoren an einem Squarain führte zu M21 dem außergewöhnlichsten Modell in dieser Arbeit. Anstelle der allgemein bei Squarainen vorgefundenen scharfen niederenergetischen Absorptionsbande, zeigte M21 eine stark verbreiterte und solvensabhängige Bande. Spektroelektochemische Experimente und semiempirische Rechnungen konnten zeigen, dass es sich dabei um eine Überlagerung des klassischen squarainlokalisierten HOMO→LUMO Übergangs sowie eines partiellen Squarain→NDI “charge transfer” Übergangs handelte. Letzterer verschwand bei der Oxidation von M21 zum Monokation und dessen Absorptionsspektrum war nahezu ein Abbild dessen eines reinen Squarainmonokations. Sowohl das Modell M21 als auch das Polymer P13 zeigten niedrige Bandlücken von 1.05–1.20 eV, welche die niedrigsten aller Verbindungen in dieser Arbeit darstellten. Transiente Absorptionsmessungen zeigten außerdem für beide Farbstoffe die extrem schnelle Ausbildung eines ladungsgetrennten Zustandes binnen weniger ps. Auch die Rekombination in den Grundzustand erfolgte innerhalb weniger ps. Im Polymer wurde kaum ein weiterer Ladungs- oder Energietransfer während der Lebenszeit des angeregten Zustandes beobachtet, was darauf schließen ließ, dass der ladungsgetrennte Zustand auf benachbarten Squarain/NDI Einheiten lokalisiert war und nicht den Polymerstrang entlang wanderte.
Mittels der Ni-unterstützten Yamamoto-Kupplung wurden die Homopolymere P1–P5 synthetisiert. Diese zeigten eine stark rotverschobene und verbreiterte Absorption im roten bis nah-infraroten Bereich, im Gegensatz zu den Donor–Squarain Copolymeren, sowie eine scharfe Fluoreszenz. Diese Eigenschaften wurden hauptsächlich auf die Exzitonenkopplung von lokalisierten angeregten Zuständen und der Präsenz unterschiedlicher Strukturen der Polymere zurückgeführt. Eine lineare J-artige Struktur führte zu der intensivsten und zugleich niederenergetischsten Bande von P1 und P2, während eine zick-zack Struktur auch zu Absorptionen höherer Energie führte. Bei den Polymeren P3 und P4 wurden gleich mehrere Fraktionen unterschiedlicher Molmassenverteilung untersucht. Auch hier war eine gestreckte J-artige Struktur verantwortlich für die niederenergetischste Absorption, während eine helikale H-artige Struktur für die Absorptionen bei höherer Energie verantwortlich war. Der Anteil zu welchem diese unterschiedlichen Strukturen gebildet wurden zeigte sich abhängig von der Kettenlänge der Polymere als auch des Lösungsmittels. Absorptionsmessungen von Dünnfilmen zeigten, dass die ursprünglich in Lösung vorliegenden Strukturen zum Teil auch im Dünnfilm erhalten blieben, jedoch durch Tempern verändert werden konnten. Durch eine Kontrolle dieser Strukturbildung könnten auch die optischen Eigenschaften gezielt beeinflusst werden. Trotz der starken elektronischen Kopplung der Squaraineinheiten im angeregten Zustand zeigte sich außerdem, dass die Redoxpotentiale sich zu denen der monomeren Stammverbindungen kaum unterschieden und somit nur eine vernachlässigbare Interaktion im Grundzustand vorlag.
Des Weiteren wurde ein Squarain-Squarain Copolymer (P6) synthetisiert, welches aus alternierenden Einheiten der Stammverbindungen M1 und M2 bestand. Ähnlich wie bei den Homopolymeren waren eine starke Verbreiterung sowie eine Rotverschiebung der niederenergetischen Absorption zu beobachten. Darüber hinaus zeigte das Polymer eine markante Bande bei höherer Energie, welche mittels einer Erweiterung des Exzitonenmodells für Copolymere erklärt werden konnte. In Toluol zeigte sich die niederenergetischste Absorptionsbande außergewöhnlich intensiv und schmal, was auf sogenanntes „exchange narrowing“ zurückgeführt wurde. Dieses könnte aus einer sehr geordneten J-artigen Struktur, welche wohl nur in Toluol vorlag, resultiert haben. Transiente Absorptionsmessungen zeigten eine starke Abhängigkeit der Abklingkurven von der Pumpenergie, insbesondere zu frühen Zeiten. Dies wurde auf das Auftreten von Mehrfachanregung (begünstigt durch den hohen Extinktionskoeffizienten) eines Polymerstranges und darauf folgender Exziton-Exziton Auslöschung zurückgeführt. Die statische Exziton-Exziton Auslöschung war der ratenbestimmende Schritt des Abklingprozesses, da sehr große Exzitondiffusionskonstanten bestimmt wurden. Dies war im Gegensatz zu anderen konjugierten Polymeren, in deren Dünnfilm die Exzitondiffusion als ratenbestimmender Schritt bestimmt wurde.
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass für Polymere welche ausschließlich aus Squaraineinheiten bestanden, die Exzitonenkopplung von Chromophoren mit starken Übergangsdipolmomenten eine vielversprechende Weise war, die optischen Eigenschaften zu verändern.
Als Nebenprodukt der Polykondensationsreaktionen wurden in niedrigen Ausbeuten mittels Recycling-GPC beispiellose zyklische konjugierte Oligosquaraine erhalten, wie zum Beispiel ein mit Triarylaminen verbrücktes Dimer (Dim1) sowie einige Homotrimere (Tri1–3) und ein Homotetramer (Tet1). Insbesondere die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der Trimere waren außergewöhnlich. Sie zeigten mehrere Fluoreszenzbanden im NIR Spektralbereich die einen Bereich von ~ 8000–12500 cm–1 (800–1250 nm) abdeckten. Ersten theoretischen Berechnungen zu Folge, waren die zyklischen Trimere nicht vollständig planar, sondern lagen als eine Mischung aus planaren und abgewinkelten Squaraineinheiten vor, welche für diese besonderen Eigenschaften verantwortlich waren. Nichtsdestotrotz fehlten noch endgültige Ergebnisse der Berechnungen um dies mit endgültiger Sicherheit zu sagen.
Im letzten Abschnitt wurde die Verwendung einiger Substanzen in optoelektronischen Bauteilen beschrieben. Die Homopolymere P1–P4 wurden in binären BHJ Solarzellen untersucht, welche allerdings nur eine geringe Effizienz zeigten, insbesondere aufgrund geringer Kurzschlussströme. Die Verwendung von P3 und P4 führte zwar zu höheren Leerlaufspannungen, bedingt durch die Dicyanomethylengruppe und das resultierende niedrigere HOMO Energielevel, allerdings blieben sowohl die Effizienz als auch die Kurzschlussströme niedrig. Weder für die unterschiedlichen Molmassenverteilungen der Polymerfraktionen, noch für die unterschiedlichen Alkylketten konnte ein Trend bezüglich der Leistung der Solarzellen bestimmt werden. In den ternären BHJ Solarzellen wurden kleine Mengen von entweder Monomer M14 oder den Polymeren P1A, P4–1 oder P13 zu einem P3HT/PCBM System beigemischt. Dadurch sollte ein zusätzlicher Weg für den Elektronen- oder Energietransport geschaffen und höhere Effizienzen erzielt werden. Jedoch führte keine der Verbindungen zu einer Verbesserung des Systems, sondern es wurden verringerte Kurzschlussströme beobachtet, welche auch zu geringerer Effizienz führten. Die niedrigen Kurzschlussströme deuteten an, dass die Morphologie der Squaraine der limitierende Faktor war. Es ist vorstellbar, dass die Dimethylgruppe am Heterozyklus der Squaraineinheit eine vorteilhafte Anordnung der Chromophore sterisch verhinderte, welche zu effizienterem Ladungs- oder Energietransport hätte führen können.
Das Monomer M6 wurde als Dotiersubstanz zu einem Polymer (SY-PPV) in einer OLED beigemischt und fungierte erfolgreich als NIR-Emitter. Schon bei geringen Mengen des Squarains wurde die Fluoreszenz des Polymers gelöscht und stattdessen Fluoreszenz aus dem Squarain beobachtet. Bei Elektrolumineszenzmessungen reichten geringere Mengen (0.5 Gew.-%) als bei Photolumineszenzmessungen, um die Fluoreszenz des Polymers vollständig zu löschen. Dies deutete darauf hin, dass abgesehen von FRET zusätzliche Quenchmechanismen, wie Ladungsträgerdynamiken, in den elektrisch betriebenen Bauteilen eine Rolle spielten.
KW  - Squaraine
KW  - Konjugierte Polymere
KW  - UV-VIS-Spektroskopie
KW  - Elektrochemie
KW  - Squaraine
KW  - Squaraines
KW  - Polymere
KW  - Polymers
KW  - Farbstoff
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101638
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ulbricht, Juliane
T1  - Insights into Polymer Biodegradation - Investigations on oxidative, hydrolytic and enzymatic Pathways
T1  - Einblicke in die Bioabbaubarkeit von Polymeren - Untersuchungen zu oxidativen, hydrolytischen und enzymatischen Abbauwegen
N2  - The present work aims towards the investigation of polymer degradation under biologically relevant conditions. In order to assess a potential degradation of polymers of interest for biomedical applications in vivo and associated effects on living tissue, representatives of poly(2-oxazoline)s and polypeptoids as well as poly(ethylene glycol) and poly(N-vinylpyrrolidone) for reference purposes are examined regarding their stability under oxidative and hydrolytic conditions as well as towards enzymatic degradation.
The polymers investigated in the framework of this thesis are generally considered to be non-biodegradable. Both poly(ethylene glycol) and poly(N-vinylpyrrolidone) are or were applied intensively in vivo provoking seriously harmful side effects like fatal blood poisoning from the oxidation of poly(ethylene glycol) chain ends or poly(N-vinylpyrrolidone) storage disease. Poly(2-alkyl-2-oxazoline)s and polypeptoids, both promising polymeric biomaterials for a wide variety of in vivo applications, are not clinically applied yet but undergo thorough investigations. However, comprising amide bonds within the backbone or the appending side chain, poly(2-alkyl-2-oxazoline)s and polypeptoids potentially offer a higher susceptibility towards (bio-)degradation. Representing the three most impactful initiators of degradation in vivo, the present study is focused on polymer deterioration by oxidative species, hydrolytic conditions and enzymes.
Oxidative species are generated in a variety of processes in vivo, both on purpose and as an unintentional by-product. Previous investigations revealed the susceptibility of poly(ethylene glycol), poly(N-vinylpyrrolidone), poly(2-alkyl-2-oxazoline)s and polypeptoids to deterioration by hydroxyl radicals deriving from hydrogen peroxide and copper ions. The obtained data confirm previous results of an apparent degradation rate increasing with increasing chain length due to self-inhibitory end group effects for all investigated polymer species. Although the exact concentrations of oxidative species in vivo are very controversial, with respect to their great variety and wide distribution the investigated polymers are likely prone to oxidative deterioration to some extent, with rates, mechanisms and degradation products strongly depending on the respective reactive species, polymer structure and chain length.
Like blood, most tissues of the human body benefit from a slightly alkaline pH value. Nevertheless, specific areas like the human stomach or tumor tissues possess acidic conditions potentially capable to cleave amide bonds comprised by poly(2-alkyl-2-oxazoline)s and polypeptoids. Unlike the hydrolysis of poly(2-alkyl-2-oxazoline)s resulting in side chain cleavage, the hydrolysis of polypeptoids induces backbone scission decreasing the polymer chain length tremendously and releasing, if performed exhaustively, the respective amino acids. Hydrolysis of polysarcosine is monitored by quantification of the released sarcosine via 1H-NMR spectroscopy and determination of the residual Mw via GPC. Its cyclic dimer sarcosine anhydride is formed as an intermediate product in this process via cyclization of unstable linear dimers of sarcosine.
Modification and degradation of bio(macro)molecules is an essential part of human metabolism. Polymers bearing amide bonds and showing a great similarity to natural occurring and widely distributed polypeptides, like poly(2-alkyl-2-oxazoline)s and polypeptoids, bear the potential of an enzymatic biodegradability by (more or less specific) peptidases. Just like the acidic hydrolysis described previously, peptidase activity would result in the cleavage of polymer amide bonds. The aim of the present thesis was to evaluate the stability of poly(2-alkyl-2-oxazoline)s and polypeptoids as well as poly(ethylene glycol) for the sake of reference under circumstances resembling in vivo conditions as closely as possible. Initial experiments focused on the degradation of dye-labeled upon incubation with homogenates of freshly harvested rat liver and kidney. However, although the obtained results are promising for the most part, they are considered rather unreliable and non-reproducible for various reasons. More conclusive data are attained from the incubation of non-labeled polymers in freshly laid chicken eggs. While no evidence for an enzymatic digestion of poly(ethylene glycol) in chicken egg white is found and deterioration of poly(2-methyl-2-oxazoline) upon incubation apparently derives from non-enzymatic hydrolysis, incubated polysarcosine samples reveal distinct elugram patterns depending on the respective C- and N-terminal end groups indicating both exopeptidase and endopeptidase activity. It has to be kept in mind though, that an enzymatic digestibility of polysarcosine does not necessarily imply the digestion of polypeptoids bearing longer side chains by peptidases as well, which should be investigated in further studies.
N2  - Die vorgestellte Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Abbauverhaltens von Polymeren unter biologisch relevanten Bedingungen. Vertreter der Poly(2-alkyl-2-oxazolin)e und Polypeptoide sowie Polyethylenglycol und Poly(N-vinylpyrrolidon) als Referenzpolymere werden im Hinblick auf ihre Stabilität unter oxidativen und hydrolytischen Bedingungen sowie gegen enzymatische Verdauung untersucht, um Rückschlüsse auf ihren potentiellen Abbau in vivo ziehen und die damit verbundenen Auswirkungen auf lebendes Gewebe abschätzen zu können. Poly(2-alkyl-2-oxazolin)e und Polypeptoide, zwei vielversprechende, jedoch noch wenig untersuchte Polymerklassen, sind als Biomaterialien für eine Vielzahl von in vivo Anwendungen interessant, werden aber bisher nicht kommerziell eingesetzt. Wie auch Polyethylenglycol und Poly(N-vinylpyrrolidon) werden Poly(2-alkyl-2-oxazolin)e und Polypeptoide als nicht bioabbaubar angesehen, was in Anbetracht der im Polymerrückgrat bzw. der davon abgehenden Seitenkette enthaltenen Amidbindungen kritisch zu hinterfragen ist. 
Reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies werden in vivo in einer Vielzahl von Prozessen gezielt oder auch als unerwünschtes Nebenprodukt gebildet. Vorangegangene Untersuchungen konnten bereits die Anfälligkeit von Polyethylenglycol, Poly(N-vinylpyrrolidon), Poly(2-alkyl-2-oxazolin)en und Polypeptoiden für Modifikationen durch in situ durch Reaktion von Wasserstoffperoxid und Kupferionen gebildete Hydroxylradikale zeigen. Desweiteren wiesen die Resultate auf eine starke Abhängigkeit der scheinbaren Abbaurate von der Polymerkettenlänge hin. Die erhaltenen Daten bestätigen die früheren Ergebnisse zum Anstieg der scheinbaren Abbaurate mit steigender Kettenlänge durch selbstinhibitorische Endgruppeneffekte für alle untersuchten Polymerspezies. Die tatsächlichen Konzentrationen reaktiver Sauerstoffspezies in vivo werden kontrovers diskutiert, hinsichtlich ihrer großen Vielfalt und breiten Verteilung im Körper ist es jedoch durchaus wahrscheinlich, dass die untersuchten Polymere in vivo in unterschiedlichem Maße dem oxidativen Abbau unterliegen. Dabei sind nicht nur die Abbauraten, sondern auch der Mechanismus und die entsprechend gebildeten Abbauprodukte von der Art der reaktiven Spezies, der Polymerstruktur und der entsprechenden Kettenlänge abhängig.
Blut und die meisten Gewebe des menschlichen Körpers sind auf einen leicht alkalischen pH-Wert angewiesen. Dennoch weisen spezifische Regionen wie den Magen oder Tumorgewebe ein saures Milieu auf, welches eventuell in der Lage ist, Amidbindungen, wie sie in Poly(2-alkyl-2-oxazolin)en und Polypeptoiden enthalten sind, zu spalten. Im Gegensatz zur Hydrolyse von Poly(2-alkyl-2-oxazolin)en, welche in Abspaltung der Seitenkette resultiert, kommt es bei der Hydrolyse von Polypeptoiden zur Spaltung des Polymerrückgrates, welche mit einer drastischen Verringerung der Kettenlänge und, mit fortschreitender Hydrolyse, mit der Freisetzung der entsprechenden Aminosäure einhergeht. Die Hydrolyse von Polysarkosin wird durch Quantifizierung des freigesetzten Sarkosins via 1H-NMR Spektroskopie sowie durch Bestimmung des Mw via GPC verfolgt. Dabei zeigt sich, dass sich das zyklische Dimer Sarkosinanhydrid als Zwischenprodukt der Hydrolyse durch Zyklisierung instabiler linearer Dimere bildet.
Die Modifikation und der Abbau von Bio(makro)molekülen sind essentieller Bestandteil des menschlichen Metabolismus. Polymere, die wie die Poly(2-alkyl-2-oxazolin)e und Polypeptoide Amidbindungen und damit große Ähnlichkeit zu den natürlich vorkommenden und weit verbreiteten Polypeptiden aufweisen, bergen das Potential einer möglichen Bioabbaubarkeit durch Peptidasen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluierung der Stabilität von Poly(2-alkyl-2-oxazolin)en und Polypeptoiden sowie Polyethylenglycol als Referenzpolymer ohne Amidbindungen unter Bedingungen, welche den in vivo vorliegenden Verhältnisse möglichst ähnlich sind. In ersten Experimenten liegt der Schwerpunkt auf der Inkubation Farbstoff-markierter Polymere in Homogenaten von frisch entnommenen Rattenlebern und -nieren. Obwohl die erhaltenen Ergebnisse zum Großteil vielversprechend sind, bestehen aus einer Vielzahl von Gründen Zweifel an ihrer Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit. Die Inkubation von nicht marktierten Polymeren in frisch gelegten Hühnereiern liefert aussagekräftigere Ergebnisse. Es sind keine Hinweise auf einen enzymatischen Abbau von Polyethylenglycol in Hühnereiweiß ersichtlich. Abweichungen der Elugramme des Poly(2-methyl-2-oxazolin)s deuten auf eine Modifikation während der Inkubation hin, die jedoch vermutlich nicht enzymatischen Ursprungs ist. Im Gegensatz dazu zeigen die Polysarkosin-Proben in Abhängigkeit der entsprechenden C- und N-terminalen Gruppen charakteristische Elugrammmodifikationen, welche auf die Aktivität von Exo- und Endopeptidasen hindeuten.
KW  - Biologischer Abbau
KW  - Polymere
KW  - Bioabbaubarkeit
KW  - Polyethylenglycol
KW  - Polypeptoide
KW  - Poly(2-oxazolin)e
KW  - Biodegradability
KW  - Polyethylene glycol
KW  - Polypeptoids
KW  - Poly(2-oxazoline)s
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158683
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stepanenko, Vladimir
T1  - Self-Assembly of Bay-Substituted Perylene Bisimide by Ligand-Metal Ion Coordination
T1  - Selbstorganisation der Bay-substituierten Perylenbisimiden durch Metallionen-induzierte Koordination
N2  - The subject of this thesis is the synthesis and characterization of PBI-based fluorescent metallosupramolecular polymers and cyclic arrays. Terpyridine receptor functionalized PBIs of predesigned geometry have been used as building blocks to construct desired macromolecular structures through metal-ion-directed self-assembly. These metallosupramolecular architectures have been investigated by NMR, UV/Vis and fluorescence spectroscopy, mass spectrometry, and atomic force microscopy.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von fluoreszierenden metallsupramolekularen Koordinations-polymeren und Makrozyklen. Als Bausteine für die Bildung dieser makromolekularen Strukturen durch Metallionen-induzierte Selbstorganisationsprozesse wurden Terpyridin-funktionalisierte Perylenbisimide verwendet, welche bereits die benötigte Geometrie besitzen. Die Charakterisierung der Komplexbildung und der optischen Eigenschaften der gebildeten metallsupramolekularen Architekturen, sowie die Visualisierung der Makromoleküle und Charakterisierung ihrer Organisationseigenschaften auf verschiedenen Oberflächen wurden durchgeführt.
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Supramolekulare Struktur
KW  - Fluoreszenz
KW  - Zweidimensionale NMR-Spektroskopie
KW  - NMR-Spektroskopie
KW  - Protonen-NMR-Spektroskopie
KW  - Zink
KW  - Polymerlösung
KW  - Polymere
KW  - Funktionelle Polymere
KW  - DOSY-NMR
KW  - UV/Vis-Absorption
KW  - cyclische Trimere
KW  - Metall-Ion
KW  - Koordinationspolymere
KW  - Perylenbisimid
KW  - Perylenbisanhydrid
KW  - cyclic trimer
KW  - coordination polymer
KW  - fluorescence
KW  - supramolecular chemistry
KW  - metal-ion-ligand coordination
KW  - DOSY-NMR
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-32063
ER  - 
TY  - THES
A1  - Selby, Joshua
T1  - Design and Chiroptical Properties of Chirally Substituted Indolenine Squaraine Mono-, Oligo-, and Polymers
T1  - Design und chiroptische Eigenschaften von chiral substituierten Indolenin-Squarain-Mono-, Oligo- und Polymeren
N2  - A series of monomeric chirally substituted indolenine squaraine monomers were successfully synthesized and utilized for the construction of various oligo- and polymers, in order to study their chiroptical properties in terms of exciton chirality. The quaternary carbon atom at the 3-position of the indolenine subunit, as well as the alkyl side chain attached to the indolenine nitrogen were selected as the most suitable site for chiral functionalization. 
For the C(3)-chiral derivatives, two synthetic routes depending on the desired substitution at the stereogenic center were established. The chiral side chains were prepared via Evans asymmetric alkylation where the resulting branching point at the 2 position constituted the chiral center. While the chiral substitution only had minor effects on the linear optical properties and geometric structure of the chromophore, all compounds exhibited a distinct and measurable CD signal that correlated with the distance of the chiral center to the central chromophore. 
Polymers bearing chiral side chains exhibited a solvent- and temperature-dependent helix-coil equilibrium, which was influenced by the type of side chain used. CD spectroscopy revealed the helical conformation to possess a preferred twist sense, and temperature-dependent measurements showed the degree of homohelicity to be nearly complete in certain cases. Furthermore, a CPL signal was able to be obtained for the helical conformer of one polymer.
Various (co)oligo- and polymers comprising the C(3)-chiral monomers only displayed a solvent-independent J-type absorption behavior and thus did not form helical conformations in solution. CD spectroscopy revealed a solvent-dependent adoption of quasi-enantiomeric conformers, which was elucidated by quantum chemical TDDFT calculations.
N2  - Eine Reihe von monomeren, chiral substituierten Indolenin-Squarain-Monomeren wurde
erfolgreich synthetisiert und für die Konstruktion verschiedener Oligo- und Polymere
verwendet, um ihre chiroptischen Eigenschaften in Bezug auf die Exzitonenchiralität zu
untersuchen. Als geeignete Stelle für die chirale Funktionalisierung wurden das quartäre
Kohlenstoffatom an der 3-Position der Indolenineinheit sowie die an den Indolenin-
Stickstoff gebundene Alkylseitenkette ausgewählt.
Für die C(3)-chiralen Derivate wurden je nach gewünschter Substitution am stereogenen
Zentrum zwei Synthesrouten etabliert. Die chiralen Seitenketten wurden über eine
asymmetrische Evans-Alkylierung synthetisiert, wobei der resultierende Verzweigungspunkt
an der 2-Position das chirale Zentrum darstellte. Während die chirale Substitution nur
geringe Auswirkungen auf die linearen optischen Eigenschaften und die geometrische
Struktur des Chromophors hatte, zeigten alle Verbindungen ein deutliches und messbares
CD-Signal, das mit dem Abstand des chiralen Zentrums zum zentralen Chromophor
korrelierte.
Polymere mit chiralen Seitenketten zeigten ein lösungsmittel- und temperaturabhängiges
Helix-Knäuel-Gleichgewicht, das durch die Art der verwendeten Seitenkette beeinflusst
wurde. Durch CD Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass die helikale Konformation
einen bevorzugten Drehsinn besitzt. Temperaturabhängige CD Messungen zeigten, dass der
Grad der Homohelizität in bestimmten Fällen nahezu vollständig ist. Weiterhin konnte für
das helikale Konformer eines Polymers ein CPL-Signal erhalten werden.
Verschiedene (Co)oligo- und Polymere bestehend aus den C(3)-chiralen Monomere zeigten
nur ein lösungsmittelunabhängiges J- Typ Absorptionsverhalten und bildeten daher in
Lösung keine helikalen Konformationen. CD-Spektroskopie zeigte eine
lösungsmittelabhängige Annahme von quasi-enantiomeren Konformationen, was durch
quantenchemische TDDFT-Rechnungen aufgeklärt wurde.
KW  - Squaraine
KW  - Oligomere
KW  - Polymere
KW  - Chiralität <Chemie>
KW  - Chemische Synthese
KW  - Asymmetrische Synthese
KW  - CD-Spektroskopie
KW  - Helix-Knäuel-Umwandlung
KW  - J- and H-Aggregate
KW  - Asymmetric synthesis
KW  - Helix-Coil-Transition
KW  - J- and H-Aggregates
KW  - Circular dichroism
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282067
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt, Ralf
T1  - Hamilton-Receptor-Mediated Self-Assembly of Merocyanine Dyes into Supramolecular Polymers
T1  - Hamilton-Rezeptor-vermittelte Selbstorganisation von Merocyaninfarbstoffen zu supramolekularen Polymeren
N2  - Die Selbstorganisation von Merocyaninfarbstoffen zu supramolekularen Polymeren wurde untersucht. Dabei konnte die Anordnung der hoch dipolaren Farbstoffe durch die Verwendung von verschiedenen Kombinationen von Wasserstoffbrückenbindungsmotiven und dipolarer Aggregation der Chromophore gesteuert.
N2  - The self-assembly of merocyanine dyes into supramolecular polymers has been studied. Thereby, the spacial arrangement of the highly dipolar dyes has been controled by employing different combinations of hydrogen bonding motifs and dipolar aggregation of the chromophores.
KW  - Selbstorganisation
KW  - Merocyanine
KW  - Polymere
KW  - Supramolekulare Struktur
KW  - Organische Chemie
KW  - cooperativity
KW  - dipolar aggregation
KW  - dyes/pigments
KW  - hydrogen bond
KW  - self-assembly
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56265
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schafferhans, Julia
T1  - Investigation of defect states in organic semiconductors: Towards long term stable materials for organic photovoltaics
T1  - Untersuchung elektronischer Störstellen in organischen Halbleitern: Auf dem Weg zu langzeitstabilen Materialien für die organische Photovoltaik
N2  - In this work, the trap states in the conjugated polymer P3HT, often used as electron donor in organic bulk heterojunction solar cells, three commonly used fullerene based electron acceptors and P3HT:PC61BM blends were investigated. Furthermore, the trap states in the blend were compared with these of the pure materials. Concerning the lifetime of organic solar cells the influence of oxygen on P3HT and P3HT:PC61BM blends was studied. The experimental techniques used to investigate the trap states in the organic semiconductors were (fractional) thermally stimulated current (TSC) and current based deep level transient spectroscopy (Q-DLTS). Fractional TSC measurements on P3HT diodes revealed a quasi-continuous trap distribution. The distribution suggested two different traps in P3HT with approximately Gaussian energy distributions and maxima at about 50 meV and 105 meV. Thereby, the former was attributed to the tail states within the regular Gaussian density of states due to the low activation energy. The latter, deeper traps, however, exhibited a strong dependence on oxygen. Exposure of the P3HT diodes to oxygen, ambient air and synthetic (dry) air all revealed an increase of the deeper traps density with exposure time in the same manner. While the lower limit of the trap density in non aged P3HT samples was in the range of (1.0 − 1.2)×10^22 m^−3, it was more than doubled after an exposure of 50 h to air. An increase of the trap density with oxygen exposure time was also seen in the Q-DLTS measurements accompanied with an increase of the temperature dependence of the emission rates, indicating an enhanced formation of deeper traps. Due to the raise in density of the deeper traps, the charge carrier mobility in P3HT significantly decreased, as revealed by photo-CELIV measurements, resulting in a loss in mobility of about two orders of magnitude after 100 h exposure to synthetic air. The increased trap density was attributed to p-doping of P3HT by the transfer of an electron to adsorbed oxygen. This effect was partially reversible by applying vacuum to the sample for several hours or, more significantly, by a thermal treatment of the devices in nitrogen atmosphere. The trap states in the methanofullerenes PC61BM, bisPC61BM and PC71BM were investigated by TSC measurements. PC61BM yielded a broad quasi-continuous trap distribution with the maximum of the distribution at about 75 meV. The comparison of the TSC spectra of the three methanofullerenes exhibited significant differences in the trap states with higher activation energies of the most prominent traps in bisPC61BM and PC71BM compared to PC61BM. This probably originates from the different isomers bisPC61BM and PC71BM consist of. Each of the isomers yields different LUMO energies, where the lower ones can act as traps. The lower limit of the trap density of all of the three investigated fullerene derivatives exhibited values in the order of 10^22 m^−3, with the highest for bisPC61BM and the lowest for PC61BM. By applying fractional TSC measurements on P3HT:PC61BM solar cells, it was shown that the trap distribution in the blend is a superposition of the traps in pure P3HT and PC61BM and additional deeper traps in the range of about 250 meV to 400 meV. The origin of these additional traps, which can not be related to the pure materials, was attributed to a higher disorder in the blend and P3HT/PC61BM interfaces. This conclusion was supported by standard TSC and Q-DLTS measurements performed on pristine and annealed P3HT:PC61BM blends, exhibiting a higher ratio of the deep traps in the pristine samples. The lower limit of the trap density of the investigated annealed solar cells was in the range of (6−8)×10^22 m^−3, which was considerably higher than in the pure materials. The influence of oxygen on P3HT:PC61BM solar cells was investigated by exposure of the devices to synthetic air under specific conditions. Exposure of the solar cells to oxygen in the dark resulted in a strong decrease in the power conversion efficiency of 60 % within 120 h, which was only caused by a loss in short-circuit current. Simultaneous illumination of the solar cells during oxygen exposure strongly accelerated the degradation, resulting in an efficiency loss of 30 % within only 3 h. Thereby, short-circuit current, open-circuit voltage and fill factor all decreased in the same manner. TSC measurements revealed an increase of the density of deeper traps for both degradation conditions, which resulted in a decrease of the mobility, as investigated by CELIV measurements. However, these effects were less pronounced than in pure P3HT. Furthermore, an increase of the equilibrium charge carrier density with degradation time was observed, which was attributed to oxygen doping of P3HT. With the aid of macroscopic simulations, it was shown that the doping of the solar cells is the origin of the loss in short-circuit current for both degradation conditions.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden die elektronischen Störstellen in dem konjugierten Polymer P3HT, welches häufig als Elektronendonator in organischen Mischabsorbersolarzellen verwendet wird, in drei auf Fullerenen basierenden Elektronenakzeptoren und im P3HT:PC61BM Gemisch untersucht. Des Weiteren wurden die Störstellen im Gemisch mit denen der reinen Materialien verglichen. Im Hinblick auf die Lebensdauer organischer Solarzellen wurde der Einfluss von Sauerstoff auf P3HT und das P3HT:PC61BM Gemisch untersucht. Die verwendeten Methoden zur Untersuchung der Störstellen waren (fraktionierte) thermisch stimulierte Ströme (TSC) und strombasierte transiente Störstellenspektroskopie (Q-DLTS). Fraktionierte TSC Messungen an P3HT Dioden ergaben eine quasi-kontinuierliche Störstellenverteilung. Die Verteilung lies darauf schließen, dass in P3HT zwei verschiedene Störstellen mit jeweils annähernd gaußförmiger energetischer Verteilung vorliegen, deren Maxima Aktivierungsenergien von 50 meV und 105 meV besitzen. Erstere wurde dabei den Ausläufern der regulären gaußförmigen DOS zugewiesen. Die tiefere Störstelle wies eine starke Abhängigkeit von Sauerstoffexposition auf. Das gezielte Aussetzten von P3HT Dioden an Sauerstoff, ergab eine Zunahme in der Dichte der tieferen Störstellen mit zunehmender Expositionszeit. Während die untere Abschätzung der Störstellendichte für ungealterte P3HT Proben im Bereich von (1.0 − 1.2)x10^22 m^−3 lag, hat sich diese nach 50 Std. an Luft mehr als verdoppelt. Eine Zunahme der Störstellendichte durch Sauerstoffexposition wurde ebenfalls mit Q-DLTS Messungen beobachtet. Die Zunahme der Störstellenkonzentration führte zu einer signifikanten Abnahme der Ladungsträgerbeweglichkeit, wie mittels photo-CELIV Messungen gezeigt wurde. Die Beweglichkeitsabnahme betrug dabei etwa zwei Größenordnungen nach 100 Std. Exposition an synthetischer Luft. Die erhöhte Störstellendichte wurde der p-Dotierung des Polymers zugeschrieben, welche durch Elektronentransfer von P3HT auf angelagerten Sauerstoff hervorgerufen wird. Dieser Effekt war teilweise reversibel, u.a. durch Tempern der Proben in Stickstoffatmosphäre. Die Störstellen in den Methanofullerenen PC61BM, bisPC61BM und PC71BM wurden mittels TSC Messungen untersucht. Dabei ergaben sich wesentliche Unterschiede in den Störstellenspektren, mit höheren Aktivierungsenergien der ausgeprägtesten Störstellen in bisPC61BM und PC71BM verglichen mit PC61BM. Dies ist auf die verschiedenen Isomere, aus denen bisPC61BM und PC71BM bestehen, zurückzuführen. Jedes der Isomere besitzt verschiedene LUMO Niveaus, wobei die tiefer liegenden als Störstellen fungieren können. Die untere Abschätzung der Störstellendichte aller drei untersuchten Methanofullerene lag in der Größenordnung von 10^22 m^−3, mit der höchsten Störstellenkonzentration für bisPC61BM und der niedrigsten für PC61BM. Mittels fraktionierter TSC Messungen an P3HT:PC61BM Solarzellen wurde gezeigt, dass die Störstellenverteilung im Gemisch eine Überlagerung der Störstellen der Einzelmaterialien und zusätzlicher tiefer gelegener Ladungsträgerfallen mit Aktivierungsenergien von etwa 250 meV bis 400 meV ist. Diese zusätzlichen Störstellen wurden der höheren Unordnung im Gemisch und P3HT/PC61BM Grenzflächen zugeschrieben. Diese Folgerung wurde durch TSC und DLTS Messungen gestützt, welche an ungetemperten und getemperten P3HT/PC61BM Gemischen durchgeführt wurden und einen erhöhten Anteil tiefer Störstellen in der ungetemperten Solarzelle darlegten. Die untere Abschätzung der Störstellendichte lag für die untersuchten getemperten Solarzellen im Bereich von (6 − 8)x10^22 m^−3 und somit deutlich höher als in den Einzelmaterialien. Der Einfluss von Sauerstoff auf P3HT:PC61BM Solarzellen wurde durch gezielte Exposition der Proben an synthetischer Luft untersucht. Die Exposition der Solarzellen an synthetischer Luft im Dunklen resultierte in einer starken Abnahme der Solarzelleneffizienz von 60 % innerhalb von 120 Std., was alleine von der Abnahme des Kurzschlussstroms herrührte. Gleichzeitige Beleuchtung der Solarzellen während der Sauerstoffexposition führte zu einer starken Beschleunigung des Effizienzverlustes. Hierbei nahmen Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung und Füllfaktor gleichsam ab. TSC Messungen zeigten eine Zunahme in der Konzentration der tieferen Störstellen für beide Degradationsbedingungen, was zu einer Abnahme der Ladungsträgerbeweglichkeit führte, wie mittels CELIV Messungen gezeigt wurde. Jedoch waren diese beiden Effekte weniger ausgeprägt als in reinem P3HT. Des Weiteren wurde eine Zunahme der Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration mit zunehmender Degradationszeit beobachtet, was auf Sauerstoffdotierung des P3HT zurückgeführt wurde. Unter Zuhilfenahme makroskopischer Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Dotierung der Solarzellen die Ursache für die Abnahme des Kurzschlussstroms ist.
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Störstellenverteilung
KW  - Degradation <Technik>
KW  - TSC
KW  - P3HT
KW  - Fullerenderivate
KW  - Polymere
KW  - Organische Solarzelle
KW  - DLTS
KW  - organic solar cells
KW  - trap distribution
KW  - organic semiconductors
KW  - methanofullerenes
KW  - conjugated polymers
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-57669
ER  - 
TY  - THES
A1  - Namal, Imge
T1  - Fabrication and Optical and Electronic Characterization of Conjugated Polymer-Stabilized Semiconducting Single-Wall Carbon Nanotubes in Dispersions and Thin Films
T1  - Herstellung und Optische- und Elektronische- Charakterisierung von konjugierten Polymer-stabilisierten halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren in Dispersionen und dünnen Filmen
N2  - In order to shrink the size of semiconductor devices and improve their
efficiency at the same time, silicon-based semiconductor devices have
been engineered, until the material almost reaches its performance
limits. As the candidate to be used next in semiconducting devices,
single-wall carbon nanotubes show a great potential due to their
promise of increased device efficiency and their high charge carrier
mobilities in the nanometer size active areas. However, there are
material based problems to overcome in order to imply SWNTs in the
semiconductor devices. SWNTs tend to aggregate in bundles and it is
not trivial to obtain an electronically or chirally homogeneous SWNT
dispersion and when it is done, a homogeneous thin film needs to be
produced with a technique that is practical, easy and scalable. This
work was aimed to solve both of these problems.
In the first part of this study, six different polymers, containing
fluorene or carbazole as the rigid part and bipyridine, bithiophene or
biphenyl as the accompanying copolymer unit, were used to selectively
disperse semiconducting SWNTs. With the data obtained from
absorption and photoluminescence spectroscopy of the corresponding
dispersions, it was found out that the rigid part of the copolymer plays a
primary role in determining its dispersion efficiency and electronic
sorting ability. Within the two tested units, carbazole has a higher π
electron density. Due to increased π−π interactions, carbazole
containing copolymers have higher dispersion efficiency. However, the
electronic sorting ability of fluorene containing polymers is superior.
Chiral selection of the polymers in the dispersion is not directly
foreseeable from the selection of backbone units. At the end, obtaining a monochiral dispersion is found to be highly dependent on the used raw
material in combination to the preferred polymer.
Next, one of the best performing polymers due to high chirality
enrichment and electronic sorting ability was chosen in order to
disperse SWNTs. Thin films of varying thickness between 18 ± 5 to
755o±o5 nm were prepared using vacuum filtration wet transfer method
in order to analyze them optically and electronically.
The scalability and efficiency of the integrated thin film production
method were shown using optical, topographical and electronic
measurements. The relative photoluminescence quantum yield of the
radiative decay from the SWNT thin films was found to be constant for
the thickness scale. Constant roughness on the film surface and linearly
increasing concentration of SWNTs were also supporting the scalability
of this thin film production method. Electronic measurements on bottom
gate top contact transistors have shown an increasing charge carrier
mobility for linear and saturation regimes. This was caused by the
missing normalization of the mobility for the thickness of the active
layer. This emphasizes the importance of considering this dimension for
comparison of different field effect transistor mobilities.
N2  - Um die Verkleinerung in Halbleiterbauelementen zu erreichen und
gleichzeitig ihre Effizienz zu verbessern, wurden Halbleiterbauelemente
auf Siliziumbasis entwickelt, bis das Material seine
Leistungsgrenzen nahezu erreicht hat. Als zukünftiger Kandidat, der in
halbleitenden Geräten Verwendung finden wird, zeigen einwandige
Kohlenstoff−Nanoröhren ein großes Potenzial für eine erhöhte
Geräteeffizienz. Grund dafür sind ihre hohen
Ladungsträger−Mobilitäten in den ein paar Nanometergroßen aktiven
Flächen. Allerdings gibt es materialbasierte Probleme zu überwinden
um SWNTs in den Halbleiterbauelementen zu implizieren. SWNTs
neigen dazu in Bündeln zu aggregieren. Eine Herausforderung ist
zudem eine elektronische oder chiral homogene
Kohlenstoffnanorohr−Dispersion zu erhalten. Ein weiteres Problem ist,
aus diesen Kohlenstoffnanorohr−Dispersion einen homogenen
Dünn−Film mit einer Technik herzustellen die praktisch, einfach und
skalierbar ist. Diese Arbeit zielte darauf ab, diese beiden Probleme zu
lösen.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden sechs verschiedene Polymere, die
Fluoren oder Carbazol als starren Teil und Bipyridin, Bithiophen oder
Biphenyl als begleitende Copolymereinheit enthielten, verwendet um
selektiv halbleitende SWNTs zu dispergieren. Mit den aus der
Absorptions− und Photolumineszenzspektroskopie erhaltenen Daten
der entsprechenden Dispersionen wurde herausgefunden, dass der
starre Teil des Copolymers eine primäre Rolle bei der Bestimmung
seiner Dispersionseffizienz und der elektronischen Sortierfähigkeit
spielt. Innerhalb der beiden getesteten Einheiten hat Carbazol eine
höhere π−Elektronendichte. Aufgrund erhöhter π−π Wechselwirkungen haben Carbazol−haltige Copolymere eine höhere Dispersionseffizienz.
Die elektronische Selektivität von fluorenhaltigen Polymeren ist
gegenüber Carbazol enthaltenden Polymeren höher. Die chirale
Selektivität der Polymere in der Dispersion ist nicht direkt vor der
Auswahl der Grundgerüsteinheiten vorhersehbar. Am Ende wird das
Erhalten einer monochiralen Dispersion im hohen Maße von den
verwendeten Rohmaterialien in Kombination mit dem bevorzugten
Polymer abhängig gemacht.
Im nächsten Schritt wurde ein Polymer ausgewählt der durch eine hohe
Chiralitätanreicherung besticht und zudem eine gute elektronische
Sortierfähigkeit besitzt, um SWNTs zu dispergieren. Dünnfilme
unterschiedlicher Dicke, zwischen 18 ± 5 bis 755 ± 5 nm, wurden unter
der Verwendung eines Vakuumfiltrations−Nassübertragungsverfahrens
hergestellt um sie daraufhin optisch und elektronisch zu analysieren.
Die Skalierbarkeit und Effizienz des integrierten Dünnschichtherstellungsverfahrens
wurde anhand optischer, topographischer und
elektronischer Messungen gezeigt. Die relative Photolumineszenzquantenausbeute
des Strahlungsabfalls aus den SWNT−Dünnfilmen
wurde für den Dickenmaßstab konstant gehalten. Eine konstante
Rauigkeit auf der Filmoberfläche und eine linear zunehmende
Konzentration von SWNTs unterstützten auch die Skalierbarkeit dieses
Dünnfilmherstellungsverfahrens. Elektronische Messungen am „bottom
gate – top contact Transistoren“ zeigten eine zunehmende Ladungsträgermobilität
für Linear− und Sättigungsregionen. Dies wurde durch
die fehlende Normalisierung der Ladungsträgermobilität für die Dicke
der aktiven Schicht verursacht. Betrachtet man die Wichtigkeit, diese
Dimension für den Vergleich verschiedener Feldeffekttransistor−
Mobilitäten zu betrachten, so deutet diese Feststellung auch darauf hin,
dass es eine Skalierung in der Dicke in Bezug auf die berechneten
Mobilitäten für die Feldeffekttransistoren gibt.
KW  - single-wall carbon nanotubes
KW  - semiconductor devices
KW  - optical spectroscopy
KW  - polymer
KW  - Field effect transistor
KW  - Feldeffekttransistor
KW  - Optische Spektroskopie
KW  - Polymere
KW  - Halbleiter
KW  - Kohlenstoff-Nanoröhre
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162393
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nahm, Daniel
T1  - Poly(2-oxazine) Based Biomaterial Inks for the Additive Manufacturing of Microperiodic Hydrogel Scaffolds
T1  - Poly(2-oxazine) Basierte Biomaterialtinten für die Additive Fertigung von Mikroperiodischen Hydrogelstrukturen
N2  - The aim of this thesis was the preparation of a biomaterial ink for the fabrication of chemically crosslinked hydrogel scaffolds with low micron sized features using melt electrowriting (MEW). By developing a functional polymeric material based on 2-alkyl-2-oxazine (Ozi) and 2-alkyl-2-oxazoline (Ox) homo- and copolymers in combination with Diels-Alder (DA)-based dynamic covalent chemistry, it was possible to achieve this goal. This marks an important step for the additive manufacturing technique melt electrowriting (MEW), as soft and hydrophilic structures become available for the first time. The use of dynamic covalent chemistry is a very elegant and efficient method for consolidating covalent crosslinking with melt processing. It was shown that the high chemical versatility of the Ox and Ozi chemistry offers great potential to control the processing parameters. The established platform offers straight forward potential for modification with biological cues and fluorescent markers. This is essential for advanced biological applications. The physical properties of the material are readily controlled and the potential for 4D-printing was highlighted as well. The developed hydrogel architectures are excellent candidates for 3D cell culture applications. In particular, the low internal strength of some of the scaffolds in combination with the tendency of such constructs to collapse into thin strings could be interesting for the cultivation of muscle or nerve cells. In this context it was also possible to show that MEW printed hydrogel scaffolds can withstand the aspiration and ejection through a cannula. This allows the application as scaffolds for the minimally invasive delivery of implants or functional tissue equivalent structures to various locations in the human body.
N2  - Das Ziel dieses Projekts war die Herstellung einer Biomaterialtinte, welche die Herstellung chemisch vernetzter, mikrostrukturierter Hydrogelgerüste mittels Melt Electrowriting (MEW) ermöglicht. Die Verwendung von speziell auf den schmelzbasierten 3D Druck angepassten polyoxazinbasierten Polymeren und die Anwendung von dynamisch kovalenter Chemie ermöglichte es, dieses Ziel zu erreichen. Dies ist ein wichtiger Schritt für die aufstrebende, additive Fertigungstechnologie MEW, da nun erstmals weiche und hydrophile Strukturen erzeugt werden können. Speziell die Verwendung der dynamischen Diels-Alder (DA) Chemie ist ein effizienter Weg, die Fertigung von kovalent vernetzten Strukturen mit der Schmelzprozessierung zu vereinen. Es wurde weiterhin gezeigt, dass die hier etablierte Materialplattform die Möglichkeit zur Modifikation mit biologischen und chemischen Signalen bietet. Dies ist besonders für biologische Anwendungen unerlässlich. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials lassen sich leicht auf potentielle Anwendungen anpassen und das Potential für den 4D Druck wurde ebenfalls hervorgehoben. Alles in Allem legt diese Arbeit den Grundstein für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen sowohl in der Biomedizin als auch in anderen Bereichen.
KW  - Polymere
KW  - Ringöffnungspolymerisation
KW  - Biomaterial
KW  - 3D-Druck
KW  - biofabrication
KW  - poly(2-oxazoline)s
KW  - poly(2-oxazine)s
KW  - ring-opening polymerization
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245987
ER  - 
TY  - THES
A1  - Munzert, Stefanie Martina
T1  - Coordination of dynamic metallosupramolecular polymers (MEPEs)
T1  - Koordination von dynamischen metallosupramolekularen Polyelektrolyten (MEPE)
N2  - Several transition metal ions, like Fe2+, Co2+, Ni2+, and Zn2+ complex to the ditopic ligand 1,4-bis(2,2’:6’,2’’-terpyridin-4’-yl)benzene. Due to the high association constant, metal ion induced self-assembly of Fe2+, Co2+, and Ni2+ leads to extended, rigid-rod like metallo-supramolecular coordination polyelectrolytes (MEPEs) even in aqueous solution. Here, the kinetics of coordination and the kinetics of growth of MEPEs are presented. The species in solutions are analyzed by stopped-flow fluorescence spectroscopy, light scattering, viscometry and cryogenic transmission electron microscopy. At near-stoichiometric amounts of the reactants, high molar masses are obtained, which follow the order Ni-MEPE ~ Co-MEPE < Fe-MEPE. Furthermore, a way is presented to adjust the average molar mass, chain-length and viscosity of MEPEs using the monotopic chain stopper 4’-(phenyl)-2,2’:6’,2’’-terpyridine.
N2  - Verschiedene Übergangsmetallionen, wie Fe2+, Co2+, Ni2+ und Zn2+ komplexieren an den ditopen Liganden 1,4-Bis(2,2’:6’,2”-terpyridin-4’-yl)benzen. Aufgrund der hohen Bindungskonstanten, führt die metallinduzierte Selbstassemblierung von Fe2+, Co2+ und Ni2+ zu ausgedehnten, stäbchenförmigen metallosupramolekularen Polyelektrolyten (MEPE) in wässriger Lösung. In dieser Arbeit wird die Kinetik der Koordination sowie die Kinetik des Wachstums der MEPE aufgezeigt. Die Spezies in Lösung werden anhand von Stopped-flow-Fluoreszenzspektroskopie, Lichtstreuung, Viskosimetrie und Kryo-Transmittionselektronenmikroskopie analysiert. Bei nahezu stöchiometrischen Mengen der Reaktanden werden hohe molare Massen beobachtet. Dabei gilt: Ni-MEPE ~ Co-MEPE < Fe-MEPE. Außerdem wird ein Verfahren beschrieben, mit welchem die mittlere Molmasse, Kettenlänge und Viskosität der MEPE durch Nutzung des monotopen Kettenstoppers 4’-(Phenyl)-2,2’:6’,2’’-terpyridin eingestellt werden kann.
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - supramolecular chemistry
KW  - Polymere
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160650
ER  - 
TY  - THES
A1  - Macher, Sven
T1  - On the Effects of Moisture on Polymer-Based Electrochromic Devices
T1  - Über die Auswirkung von Feuchtigkeit auf Polymer-basierte Elektrochrome Elemente
N2  - The present work builds on a conjugated electrochromic polymer with a highly transmissive and colorless bright state and its application in electrochromic devices. The main body of this work focuses on the investigation of the influence of moisture on electrochromic devices and solutions to overcome possible degradation of these devices due to moisture ingress.

Firstly, a series of EDOT derivatives with a terminal double bond in the lateral sidechain to potentially achieve a highly transmissive and fully colorless bright state was investigated. All of the EDOT derivatives were electrochemically polymerized and characterized by means of (in-situ) spectroelectrochemistry. The results highlight the dramatic influence of the terminal double bond on the improved visible light transmittance and color neutrality in the bright state. After detailed evaluation and comparison, the best performing compound, which contains a hexenyl sidechain (PEDOT-EthC6), was scaled-up by changing the deposition technique from an electrochemical to a chemical in-situ polymerization process on a R2R-pilot line in an industrially relevant environment. The R2R-processed PEDOTEthC6 half-cells were characterized in detail and provide enhanced electrochromic properties in terms of visible light transmittance and color neutrality in the bright state as well as short response times, improved contrast ratio, coloration efficiency and cycling stability (10 000 cycles).[21]

In a second step, the novel PEDOT-EthC6 electrochromic polymer was combined with a Prussian Blue counter electrode and a solid polymer electrolyte to form an all-solid-sate ECDs based on complementary switching electrodes and PET-ITO as flexible substrates. The fabricated ECDs were optically and spectroelectrochemically characterized. Excellent functionality of the S2S-processed flexible ECDs was maintained throughout 10 000 switching cycles under laboratory conditions. The ECDs offer enhanced electrochromic properties in terms of visible light transmittance change and color neutrality in the bright state as well as contrast ratio, coloration efficiency, cycling stability and fast response times. Furthermore, the final device assembly was transferred from a S2S-process to a continuous R2R-lamination process.[238]

In a third step, the PEDOT-EthC6/PB-based ECDs were submitted to conscious environmental aging tests. The emphasis of the research presented in this work, was mainly put at the influence of moisture and possible failure mechanisms regarding the PEDOT-EthC6/PB based ECDs. An intense brown coloration of the electrodes was observed while cycling the ECDs in humid atmospheres (90% rH) as a major degradation phenomenon. The brown coloration and a thereby accompanied loss of conductivity of the PET-ITO substrates was related to significant degradation of the ITO layers, inserted as the conductive layers in the flexible ECDs. A dissolution of the ITO thin films and formation of metallic indium particles on the surface of the ITO layers was observed that harmed the cycling stability enormously. The conductive layers of the aged ECDs were investigated by XRD, UV-Vis, SEM and spectroelectrochemical measurements and validated the supposed irreversible reduction of the ITO layers.[279]

In the absence of reasonable alternatives to PET-ITO for flexible (R2R-processed) ECDs, it is also important to investigate measures to avoid the degradation of ECDs. This is primarily associated with the avoidance of appropriate electrode potentials necessary for ITO reduction in humid atmospheres. As an intrinsic action point, the electrode potentials were investigated via electrochemical measurements in a three-electrode setup of an all-solid-state ECD. Extensive knowledge on the electrode potentials allowed the voltage-induced degradation of the ITO in flexible ECDs to be avoided through the implementation of an unbalanced electrode configuration (charge density ratio of working and counter electrode). It was possible to narrow the overall operational voltage window to an extent in which irreversible ITO reduction no longer occurs. The unbalanced electrode configuration lead to an improved cycling stability without harming other characteristics such as response time and light transmittance change and allows ECD operation in the presence of humidity.[279]

The avoidance of the mentioned degradation phenomena is further associated with appropriate sealing methods and materials as well as appropriate electrode and device fabrication processes. Since a variety of sealing materials is commercially available, due to the commercial launch of organic photovoltaic (OPV) and light emitting diodes (OLEDs), the focus in the present work was put to water-free electrode fabrication. As an extrinsic action point, a novel preparation method of a nanoscale PEDOT-EthC6 dispersion based on organic solvents is presented here in a final step. The water-free processing method gives access to straightforward printing and coating processes on flexible PET-ITO substrates and thus represents a promising and simplified alternative to the established PEDOT:PSS. The resulting nano-PEDOT-EthC6 thin films exhibit enhanced color neutrality and transmissivity in the bright state and are comparable to the properties of the in-situ polymerized PEDOT-EthC6 thin films.[280]
N2  - Die vorliegende Arbeit beruht auf einem konjugierten elektrochromen Polymer mit hochtransmissivem und farblosem Hellzustand sowie dessen Anwendung in elektrochromen Elementen. Der Hauptteil die-ser Arbeit konzentriert sich auf den Einfluss von Feuchtigkeit auf elektrochrome Elemente sowie Lösun-gen, um einer möglichen Degradation dieser Systeme aufgrund der Einwirkung von Feuchtigkeit entge-genzuwirken. 

In einem ersten Schritt wurde eine Reihe von EDOT-Derivaten mit terminalen Doppelbindung in einer lateralen Seitenkette untersucht, um einen hochtransmissiven und vollständig farblosen Hellzustand zu erreichen. Alle EDOT-Derivate wurden elektrochemisch polymerisiert und mittels (in-situ) spektroelekt-rochemischer Messungen charakterisiert. Die Ergebnisse unterstreichen den dramatischen Einfluss der terminalen Doppelbindung auf die verbesserte Transmission und Farbneutralität im Hellzustand. Nach einer detaillierten Bewertung und entsprechendem Vergleich wurden die Dünnschichten der Verbin-dung mit den besten Eigenschaften, welche eine Hexenylseitenkette (PEDOT-EthC6) enthält, hochska-liert. Dazu wurde die elektrochemische Abscheidung durch einen chemischen in-situ-Polymerisationsprozess ersetzt. Dies ermöglicht die Abscheidung elektrochromer Dünnschichten im großen Maßstab auf einer R2R-Beschichtungsanlage. Die mittels R2RBeschichtung abgeschiedenen PE-DOT-EthC6-Dünnschichten wurden daraufhin detailliert charakterisiert und zeigen verbesserte elektro-chrome Eigenschaften hinsichtlich visueller Transmission und Farbneutralität im Hellzustand, kurze Schaltzeiten, ein verbessertes Kontrastverhältnis sowie verbesserte Färbeeffizienz und Zyklenstabilität (10 000 Zyklen).[21]

Im zweiten Schritt wurden PEDOT-EthC6-Halbzellen mit Preußisch Blau-Gegenelektroden und einem festen Polymerelektrolyten kombiniert und ein Festkörper- ECD auf Basis koplementär-färbender Elekt-roden und flexiblen PET-ITO-Substraten realisiert. Die hergestellten ECDs wurden optisch und (spektro-)elektrochemisch charakterisiert. Die Funktionalität der S2S-assemblierten flexiblen ECDs wurde über 10 000 Schaltzyklen unter Laborbedingungen getestet. Die ECDs bieten verbesserte elektrochrome Eigenschaften hinsichtlich der visuellen Transmission und Farbneutralität im Hellzustand sowie des Kon-trastverhältnisses, der Färbeeffizienz, Zyklenstabilität und Schaltzeit. Darüber hinaus wurde die S2S-Laminierung der ECDs in einen kontinuierlichen R2R-Laminierprozess übertragen.[238]

Dann wurden die PEDOT-EthC6/PB-basierten ECDs kontrollierten Alterungstests unterzogen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag hauptsächlich auf dem Einfluss von Feuchtigkeit und den daraus resultie-renden Degradationsmechanismen des PEDOT-EthC6/PB-Systems. Während die ECDs in feuchter At-mosphäre (90 % rH) zyklisiert wurden, konnte eine intensive Braunfärbung der Elektroden beobachtet werden. Die braune Färbung und ein damit einhergehender Verlust der Leitfähigkeit wurde auf eine signifikante Degradation der ITO-Schichten zurückgeführt, die als leitfähige Schichten in den flexiblen ECDs Verwendung fanden. Die Auflösung der ITO-Dünnschichten sowie die Bildung von metallischen Indiumpartikeln auf der Oberfläche der ITO-Schichten wurde beobachtet und als Ursache für die ver-minderte Zyklenstabilität herangezogen. Die leitfähigen Schichten der gealterten ECDs wurden durch XRD-, UV-Vis-, REM- und (spektro-) elektrochemische Messungen untersucht und die vermutete irre-versible Reduktion der ITO- Schichten bestätigt.[279]

Mangels Alternativen zu PET-ITO für flexible (R2R-prozessierte) ECDs ist es wichtig, Maßnahmen zur Vermeidung der Degradation von ECDs zu untersuchen. Dies ist in erster Linie mit der Vermeidung ge-eigneter Elektrodenpotentiale verbunden, die für die Reduktion von ITO in feuchter Atmosphäre erfor-derlich sind. Als intrinsische Maßnahme wurden die Elektrodenpotentiale durch elektrochemische Mes-sungen in einem Drei-Elektroden-Aufbau eines Festkörper-ECD untersucht. Aufgrund der umfassende Kenntnis der Elektrodenpotentiale konnte die spannungsinduzierte Degradation der enthaltenen ITO-Schichten durch die Implementierung einer unbalancierten Elektrodenkonfiguration (Ladungsdichte-verhältnis von Arbeits- und Gegenelektrode) vermieden werden. Es war dadurch möglich, das gesamte Spannungsfenster zum Betrieb des ECD so weit einzuschränken, dass keine irreversible ITO-Reduktion mehr auftrat. Die unbalancierte Elektrodenkonfiguration führt zu einer verbesserten Zyklenstabilität, ohne andere Eigenschaften wie Schaltzeit oder visuellen Transmissionshub zu beeinträchtigen und er-möglicht daher den Betrieb von ECDs auch in feuchter Atmosphäre.[279]

Die Vermeidung der genannten Degradationsphänomene ist ferner mit geeigneten Versiegelungsver-fahren und -materialien sowie geeigneten Elektroden- und Assemblierungsverfahren möglich. Da auf-grund der kommerziellen Einführung von organischer Photovoltaik (OPV) und organischer Leuchtdio-den (OLEDs) eine Vielzahl von Versiegelungsmaterialien kommerziell erhältlich ist, lag der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit auf der Herstellung wasserfreier Elektroden. Als extrinsische Maßnahme wurde in einem letzten Schritt eine neuartige Herstellungsmethode für eine nanoskaligen PEDOT-EthC6-Dispersion auf Basis organischer Lösungsmittel entwickelt. Die wasserfreie Verarbeitungsmethode er-möglicht einfache Druck- und Beschichtungsprozesse auf flexiblen PET-ITO-Substraten und stellt somit eine vielversprechende und vereinfachte Alternative zu etabliertem PEDOT:PSS dar. Die resultierenden PEDOT-EthC6-Schichten zeigen im Hellzustand ebenfalls eine verbesserte Farbneutralität sowie visuelle Transmission und sind vergleichbar mit den Eigenschaften der in-situ-polymerisierten PEDOT-EthC6-Schichten.[280]
KW  - Elektrochromie
KW  - conjugated electrochromic polymers
KW  - electrochromic device
KW  - Elektrochemie
KW  - Polymere
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242407
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lübtow, Michael M.
T1  - Structure-property relationships in poly(2-oxazoline)/poly(2-oxazine) based drug formulations
T1  - Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Poly(2-oxazolin)/Poly(2-oxazin) basierten Wirkstoffformulierungen
N2  - According to estimates, more than 40% of all new chemical entities developed in pharmaceutical industry are practically insoluble in water. Naturally, the demand for excipients which increase the water solubility and thus, the bioavailability of such hydrophobic drugs is enormous. Poly(2-oxazoline)s (POx) are currently intensively discussed as highly versatile class of biomaterials. Although selected POx based micellar drug formulations exhibit extraordinarily high drug loadings > 50 wt.% enabling high anti-tumor efficacies in vivo, the formulation of other hydrophobic compounds has failed. This casts doubt on the general understanding in which a hydrophobic active pharmaceutical ingredient is dissolved rather unspecifically in the hydrophobic core of the micelles following the fundamental concept of “like dissolves like”. Therefore, a closer look at the interactions between all components within a formulation becomes increasingly important. To do so, a large vehicle platform was synthesized, loaded with various hydrophobic drugs of different structure, and the formulations subsequently characterized with conventional and less conventional techniques. The obtained in-depth insights helped to develop a more thorough understanding about the interaction of polymer and incorporated API finally revealing morphologies deviating from a classical core/shell structure. During these studies, the scarcely investigated polymer class of poly(2-oxazine)s (POzi) was found as promising drug-delivery vehicle for hydrophobic drugs. Apart from this fundamental research, the anti-tumor efficacy of the two APIs curcumin and atorvastatin has been studied in more detail. To increase the scope of POx and POzi based formulations designed for intravenous administration, a curcumin loaded hydrogel was developed as injectable drug-depot.
N2  - Schätzungen zufolge sind mehr als 40% aller „new chemical entities“, welche in der pharmazeutischen Industrie entwickelt werden, wasserunlöslich. Aus diesem Grund ist der Bedarf an Zusatzstoffen, welche die Wasserlöslichkeit und dadurch die Bioverfügbarkeit erhöhen, enorm. Poly(2-oxazolin)e (POx) werden derzeitig intensiv als vielseitig einsetzbare Biomaterialien untersucht. Obwohl bestimmte POx basierte, mizellare Wirkstoffformulierungen außergewöhnlich hohe Beladungskapazitäten > 50 Gew.% aufwiesen und dadurch ausgeprägte anti-Tumor Effektivität  in vivo ermöglichten, schlug die Formulierung anderer hydrophober Stoffe fehl. Dies lässt Zweifel an dem altbewährten Konzept aufkommen, in welchem hydrophobe Arzneistoffe mehr oder weniger unspezifisch im hydrophoben Kern einer Mizelle gelöst werden. Aus diesem Grund ist ein genauerer Blick auf die Interaktionen zwischen allen Bestandteilen einer Formulierung vonnöten. Deshalb wurde eine große Polymerplattform synthetisiert, mit verschiedenen hydrophoben Wirkstoffen unterschiedlicher Struktur beladen und die Formulierungen im Anschluss mit herkömmlichen und weniger herkömmlichen Methoden charakterisiert. Die daraus erhaltenen Einblicke ermöglichten es ein umfassenderes Verständnis über die Interaktionen von Polymer und Wirkstoff zu entwickeln. Innerhalb dieser Studien wurden Aggregate charakterisiert, welche von einer klassischen Kern/Schale Morphologie abwichen. Des Weiteren konnte die kaum erforschte Polymerklasse der Poly(2-oxazin)e (POzi) als vielversprechende Wirkstoffträgerplattform für hydrophobe Wirkstoffe charakterisiert werden. Von dieser Grundlagenforschung abgesehen, wurde die anti-Tumor Effektivität von Curcumin und Atorvastatin Nanoformulierungen untersucht. Um den Anwendungsbereich der POx und POzi basierten Wirkstoffformulierungen, welche für intravenöse Verabreichung entwickelt wurden, zu erweitern, wurde ein Curcumin beladenes Hydrogel als injizierbares Wirkstoffdepot entwickelt.
KW  - Polymere
KW  - Nanomedizin
KW  - Wirkstoff-Träger-System
KW  - Ringöffnungspolymerisation
KW  - Hydrogel
KW  - Drug-Polymer Interactions
KW  - Poly(2-oxazoline)
KW  - Poly(2-oxazine)
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193387
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lorson, Thomas
T1  - Novel Poly(2-oxazoline) Based Bioinks
T1  - Neuartige Poly(2-oxazolin) Basierte Biotinten
N2  - Motivated by the great potential which is offered by the combination of additive manufacturing and tissue engineering, a novel polymeric bioink platform based on poly(2 oxazoline)s was developed which might help to further advance the young and upcoming field of biofabrication. In the present thesis, the synthesis as well as the characteristics of several diblock copolymers consisting of POx and POzi have been investigated with a special focus on their suitability as bioinks. 
In general, the copolymerization of 2-oxazolines and 2-oxazines bearing different alkyl side chains was demonstrated to yield polymers in good agreement with the degree of polymerization aimed for and moderate to low dispersities.
For every diblock copolymer synthesized during the present study, a more or less pronounced dependency of the dynamic viscosity on temperature could be demonstrated. Diblock copolymers comprising a hydrophilic PMeOx block and a thermoresponsive PnPrOzi block showed temperature induced gelation above a degree of polymerization of 50 and a polymer concentration of 20 wt%. Such a behavior has never been described before for copolymers solely consisting of poly(cyclic imino ether)s.
Physically cross linked hydrogels based on POx b POzi copolymers exhibit reverse thermal gelation properties like described for solutions of PNiPAAm and Pluronic F127. However, by applying SANS, DLS, and SLS it could be demonstrated that the underlying gel formation mechanism is different for POx b POzi based hydrogels. It appears that polymersomes with low polydispersity are formed already at very low polymer concentrations of 6 mg/L. Increasing the polymer concentration resulted in the formation of a bicontinuous sponge like structure which might be formed due to the merger of several vesicles. For longer polymer chains a phase transition into a gyroid structure was postulated and corresponds well with the observed rheological data.
Stable hydrogels with an unusually high mechanical strength (G’ ~ 4 kPa) have been formed above TGel which could be adjusted over a range of 20 °C by changing the degree of polymerization if maintaining the symmetric polymer architecture. Variations of the chain ends revealed only a minor influence on TGel whereas the influence of the solvent should not be neglected as shown by a comparison of cell culture medium and MilliQ water.
Rotationally as well as oscillatory rheological measurements revealed a high suitability for printing as POx b POzi based hydrogels exhibit strong shear thinning behavior in combination with outstanding recovery properties after high shear stress.
Cell viability assays (WST-1) of PMeOx b PnPrOzi copolymers against NIH 3T3 fibroblasts and HaCat cells indicated that the polymers were well tolerated by the cells as no dose-dependent cytotoxicity could be observed after 24 h at non-gelling concentrations up to 100 g/L. 
In summary, copolymers consisting of POx and POzi significantly increased the accessible range of properties of POx based materials. In particular thermogelation of aqueous solutions of diblock copolymers comprising PMeOx and PnPrOzi was never described before for any copolymer consisting solely of POx or POzi. In combination with other characteristics, e.g. very good cytocompatibility at high polymer concentrations and comparably high mechanical strength, the formed hydrogels could be successfully used for 3D bioprinting. Although the results appear promising and the developed hydrogel is a serious bioink candidate, competition is tough and it remains an open question which system or systems will be used in the future.
N2  - Motiviert durch das große Potential, das die Kombination aus additiver Fertigung und künstlicher Geweberegeneration bietet, wurde eine neuartige polymerbasierte Biotintenplattform auf Basis von Poly(2 oxazolin)en entwickelt. Diese soll zukünftig dazu beitragen das noch junge, aber aufstrebende Forschungsfeld der Biofabrikation weiterzuentwickeln.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Synthese sowie die Eigenschaften von mehreren Diblock Copolymeren, bestehend aus POx und POzi, untersucht, wobei der Hauptfokus auf deren Eignung als Biotinte lag. 
Grundsätzlich konnte gezeigt werden, dass Copolymere, bestehend aus 2 Oxazolinen und 2 Oxazinen, die unterschiedliche Alkylseitenketten besitzen, synthetisiert werden können. Dabei lagen die ermittelten Polymerisationsgrade nahe am zuvor errechneten Wert. Die Polymere wiesen mittlere bis niedrigere Dispersitäten auf.
Für jedes der im Rahmen der vorliegenden Arbeit synthetisierten Diblock Copolymere konnte eine mehr oder weniger starke Abhängigkeit der dynamischen Viskosität von der Temperatur gezeigt werden. Allerdings ist es nicht möglich, aus den thermischen Eigenschaften des Bulkmaterials Rückschlüsse auf das temperaturabhängige Verhalten in Lösung zu ziehen. Diblock Copolymere mit einem hydrophilen PMeOx Block und einem thermoresponsiven PnPrOzi Block bildeten oberhalb einer Kettenlänge von 50 Einheiten und einer Polymerkonzentration von 20 Gew% ein physikalisches Gel. Solch ein Verhalten wurde bisher noch nicht für Copolymere, die ausschließlich auf POx oder seinen höheren Homologen basieren, beschrieben.
Physikalische Hydrogele, basierend auf POx b POzi Copolymeren, weisen eine umgekehrte thermische Gelierung wie auch wässrige Lösungen von PNiPAAm und Pluronic F127 auf. Allerdings konnte durch die komplementäre Verwendung von SANS, DLS und SLS gezeigt werden, dass sich der zugrundeliegende Gelbildungsmechanismus für POx b POzi basierte Hydrogele deutlich von den beiden zuvor genannten unterscheidet. Es wird davon ausgegangen, dass sich zunächst bei einer sehr geringen Polymerkonzentration von 6 mg/L Vesikel mit geringer Polydispersität ausbilden. Eine Erhöhung der Konzentration resultiert in der Ausbildung eines bikontinuierlichen Netzwerks mit schwammartiger Struktur. Dieses bildet sich vermutlich durch die Fusion mehrerer Vesikel. Des Weiteren wird für höhere Polymerisationsgrade ein Phasenübergang zu einer gyroidalen Struktur postuliert der sich sehr gut mit den gewonnenen rheologischen Daten deckt.
Stabile Hydrogele mit außergewöhnlich hoher mechanischer Stärke (G‘ ≈ 4kPa) bildeten sich oberhalb der Tgel, die über eine Temperaturspanne von 20 °C durch Änderung des Polymerisationsgrades eingestellt werden konnte. Veränderung der Kettenenden zeigten nur einen geringen Einfluss auf die TGel, wobei der Einfluss des verwendeten Lösemittels nicht unterschätzt werden sollte. Dies konnte durch den direkten Vergleich von MilliQ Wasser und Zellkulturmedium gezeigt werden.
Rheologische Untersuchungen, die sowohl im rotierenden als auch im oszillierenden Modus durchgeführt wurden, zeigten eine gute Eignung der POx b POzi basierten Hydrogele für Extrusion basierte Druckverfahren. Insbesondere aufgrund des stark ausgeprägten scherverdünnenden Verhaltens und der ausgezeichneten Strukturerholung nach hoher Scherbelastung sollten gute Druckergebnisse erzielbar sein.
Zellviabilität-Assays (WST-1) von PMeOx b PnPrOzi Copolymeren an NIH 3T3 Fibroblasten und HaCat-Zellen zeigten, dass die Polymere bei Konzentrationen von bis zu 100 g/L und Inkubationszeiten von 24 h keine dosisabhängige Zytotoxizität besitzen.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Copolymerisation von POx und POzi den verfügbaren Eigenschaftsbereich von POx basierten Materialien deutlich vergrößert hat. Insbesondere die temperaturinduzierte Gelierung von wässrigen Polymerlösungen wurde noch nie zuvor für ein anderes Copolymer auf Basis von POx und POzi beschrieben. Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften, wozu unter anderem eine sehr gute Zytokompatibilität bei hohen Polymerkonzentrationen und eine vergleichsweise hohe mechanische Festigkeit zählen, konnten die entwickelten Hydrogele erfolgreich für den 3D Biodruck verwendet werden. Obwohl die beschriebenen Ergebnisse sehr vielversprechend sind und die entwickelte Hydrogelplattform folglich als ernstzunehmender Biotintenkandidat angesehen werden sollte, ist die Konkurrenz sehr groß und es bleibt abzuwarten, welche Tinte bzw. Tinten in Zukunft zum Einsatz kommen.
KW  - Polymere
KW  - Ringöffnungspolymerisation
KW  - Lichtstreuung
KW  - Biomaterial
KW  - 3D-Druck
KW  - Poly(2-oxazolin)e
KW  - poly(2-oxazoline)s
KW  - Biofabrikation
KW  - biofabrication
KW  - Biotinten
KW  - bioinks
KW  - Hydrogel
KW  - hydrogel
KW  - Ringöffnungspolymerisation
KW  - ring-opening polymerization
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-180514
ER  - 
TY  - THES
A1  - Liebscher [geb. Blöhbaum], Julia
T1  - Side chain functional poly(2-oxazoline)s for biomedical applications
T1  - Seitenkettenfunktionalisierte Poly(2-oxazoline) für biomedizinische Anwendungen
N2  - The aim of the thesis was to develop water soluble poly(2-oxazoline) (POx) copolymers with new side group functionalities, which can be used for the formation of hydrogels in biomedical applications and for the development of peptide-polymer conjugates. 
First, random copolymers of the monomer MeOx or EtOx with ButEnOx and EtOx with DecEnOx were synthesized and characterized. The vinyl functionality brought into the copolymer by the monomers ButEnOx and DecEnOx would later serve for post-polymerization functionalization. The synthesized copolymers were further functionalized with thiols via post-polymerization functionalization using a newly developed synthesis protocol or with a protected catechol molecule for hydrogel formation. For the formation of peptide-polymer conjugates, a cyclic thioester, namely thiolactone acrylamide and an azlactone precursor, whose synthesis was newly developed, were attached to the side chain of P(EtOx-co-ButEnOx) copolymers. 
The application of the functionalized thiol copolymers as hydrogels using thiol-ene chemistry for cross-linking was demonstrated. The swelling behavior and mechanical properties were characterized. The hydrophilicity of the network as well as the cross-linking density strongly influenced the swelling behavior and the mechanical strength of the hydrogels. All hydrogels showed good cell viability results. 
The hydrogel networks based on MeOx and EtOx were loaded with two dyes, fluorescein and methylene blue. It was observed that the uptake of the more hydrophilic dye fluorescein depended more on the ability of the hydrogel to swell. In contrast, the uptake of the more hydrophobic dye methylene blue was less dependent on the swelling degree, but much more on the hydrophilicity of the network.
For the potential application as cartilage glue, (biohybrid) hydrogels were synthesized based on the catechol-functionalized copolymers, with and without additional fibrinogen, using sodium periodate as the oxidizing agent. The system allowed for degradation due to the incorporated ester linkages at the cross-linking points. The swelling behavior as well as the mechanical properties were characterized. As expected, hydrogels with higher degrees of cross-linking showed less swelling and higher elastic modulus. The addition of fibrinogen however increased the elasticity of the network, which can be favorable for the intended application as a cartilage glue. Biological evaluation clearly demonstrated the advantage of degradable ester links in the hydrogel network, where chondrocytes were able to bridge the artificial gap in contrast to hydrogels without any ester motifs.
Lastly, different ways to form peptide-polymer conjugates were presented. Peptides were attached with the thiol of the terminal cysteine group to the vinyl side chain of P(EtOx-co-ButEnOx) copolymers by radical thiol-ene chemistry. Another approach was to use a cyclic thioester, thiolactone, or an azlactone functionality to bind a model peptide via native chemical ligation. The two latter named strategies to bind peptides to POx side chains are especially interesting as one and in the case of thiolactone two free thiols are still present at the binding site after the reaction, which can, for example, be used for further thiol-ene cross-linking to form POx hydrogels.
In summary, side functional poly(oxazoline) copolymers show great potential for numerous biomedical applications. The various side chain functionalities can be introduced by an appropriate monomer or by post-polymerization functionalization, as demonstrated. By their multi-functionality, hydrogel characteristics, such as cross-linking degree and mechanical strength, can be fine-tuned and adjusted depending on the application in the human body. In addition, the presented chemoselective and orthogonal reaction strategies can be used in the future to synthesize polymer conjugates, which can, for example, be used in drug delivery or in tissue regeneration.
N2  - Das Ziel der Arbeit war es, wasserlösliche Poly(2-oxazolin) (POx) Copolymere mit neuen Seitenkettenfunktionalitäten zu entwickeln, welche zur Synthese von Hydrogelen für biomedizinische Anwendungen und zur Entwicklung von Peptid-Polymer Konjugaten genutzt werden können. 
Zunächst wurden Copolymere aus den Monomeren MeOx oder EtOx mit ButEnOx und EtOx mit DecEnOx synthetisiert und anschließend charakterisiert. Die Monomere wurden statistisch miteinander copolymerisiert, indem sie zusammen zum Start der Reaktion in das Reaktionsgefäß gegeben wurden. Die Vinyl Funktionalität, die durch die Monomere ButEnOx und DecEnOx eingebracht wurde, kann später zur nachträglichen Funktionalisierung am Polymer verwendet werden. Die synthetisierten Copolymere wurden weiterhin mit Thiolen oder mit funktionellen Catecholgruppen ausgestattet, um Hydrogele herzustellen. 
Um Peptid-Polymer Konjugate zu bilden, wurden zyklische Thioester, genauer Thiolacton acrylamid und ein Azlacton Präkursor, dessen Synthese neu entwickelt wurde, an die Seitenkette von P(EtOx-co-ButEnOx) Copolymere angebunden. 
Im Folgenden wurde die Anwendung der thiol funktionalisierten Copolymere als Hydrogele, welche mittels radikalischer Thiol-ene Chemie vernetzt wurden, präsentiert. Das Quellverhalten und die mechanischen Eigenschaften wurden analysiert. Sowohl die Hydrophilie des Netzwerkes als auch die Vernetzungsdichte beeinflusste das Quellverhalten und die mechanische Festigkeit stark. Alle Hydrogele zeigten gute Zellverträglichkeit. Die Hydrogele basierend auf MeOx und EtOx wurden außerdem mit den Farbstoffen Fluorescein und Methylenblau beladen. Es wurde beobachtet, dass von den beiden Farbstoffen die Aufnahme des hydrophileren Farbstoffs Fluorescein stärker vom Quellungsgrad des Hydrogels abhing. Hingegen war die Aufnahme des hydrophoberen Farbstoffs Methylenblau weniger davon abhängig wie sehr das Hydrogel quellen konnte, sondern stärker von der Hydrophilie des Hydrogel-Netzwerkes. Um die potenzielle Anwendung als Knorpelkleber zu testen, wurden (biohybrid) Hydrogele basierend auf Catechol-funktionalisiertem Copolymeren mit und ohne zusätzliches Fibrinogen und dem Oxidationsmittel Natriumperiodat hergestellt. Das System war durch die eingebauten Ester Vernetzungspunkte abbaubar. Das Quellverhalten und die mechanischen Eigenschaften wurden charakterisiert. Wie zu erwarten, zeigten Hydrogele mit stärkerer Vernetzung eine geringe Quellung und einen höheren elastischen Modulus. Die Zugabe von Fibrinogen jedoch erhöhte die Elastizität des Netzwerkes, welches förderlich für die avisierte Anwendung als Knorpelkleber sein kann. Die biologische Auswertung zeigte, dass die Ester-haltigen, abbaubaren Vernetzungspunkte von großem Vorteil sind. Die Chondrozyten konnten ohne Probleme den Defektspalt überbrücken, was nicht möglich war, sobald keine Ester Funktionalitäten im Hydrogel eingebunden waren. 
Zuletzt wurden verschiedene Möglichkeiten Peptid-Polymer Konjugate zu synthetisieren präsentiert. Zum einen wurden Peptide mit der Thiolgruppe des endständigen Cysteins an die Vinyl Seitenkette der P(EtOx-co-ButEnOx) Copolymere mittels radikalischer Thiol-en Chemie angebunden. Des Weiteren wurde ein zyklischer Thioester, das Thiolacton, und eine Azlacton Funktionalität verwendet, um ein Modell Peptid mittels nativer chemischer Ligation zu binden. Die zwei zuletzt genannten Strategien, um Peptide an Polymere zu binden, sind besonders interessant, da hier ein beziehungsweise im Fall der Thiolacton Funktionalität zwei freie Thiole an der Bindungsstelle nach der Reaktion entstehen. Diese könnten genutzt werden, um zum Beispiel über Thiol-en Chemie Peptid-haltige Hydrogele herzustellen.
Zusammenfassend zeigen seitenkettenfunktionale Poly(oxazolin) Copolymere ein großes Potenzial für biomedizinische Anwendungen. Die vielen verschiedenen Seitenkettenfunktionalitäten können durch das passende Monomer oder durch Post-Polymerisationsfunktionalisierung eingebracht werden, wie in dieser Arbeit gezeigt. Durch ihre Multifunktionalität können Hydrogel Charakteristika, wie der Vernetzungsgrad und die mechanische Festigkeit, fein eingestellt und angepasst werden, je nach Anwendungsbereich im menschlichen Körper. Die entwickelten chemoselektiven und orthogonalen Reaktionswege können in der Zukunft genutzt werden, um Polymer Konjugate zu synthetisieren, welche zum Beispiel für das Drug Delivery oder im Bereich der Geweberegneration zum Einsatz kommen.
KW  - Polymere
KW  - Ringöffnungspolymerisation
KW  - Hydrogel
KW  - hydrogel
KW  - poly(2-oxazoline)s
KW  - ring-opening polymerization
KW  - polymer-peptide-conjugate
KW  - thiol-ene
KW  - Dihydrooxazole
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203960
ER  - 
TY  - THES
A1  - Keßler, Martina
T1  - Biodegradable solvent cast films and solution electrospun meshes for the prevention of postsurgical adhesions
T1  - Bioabbaubare aus der Lösung gegossene Filme und elektrogesponnenen Vliese zur Prävention von Gewebeadhäsionen
N2  - Intraperitoneal adhesions are fibrous bands that connect tissues in the peritoneal cavity that are usually separated. These adhesions form as a consequence of trauma, inflammation or surgical interventions and often result in severe consequences such as chronic pain, small bowel obstructions or female infertility.
The aim of this thesis was to develop a synthetic barrier device for adhesion prevention made of modified poly(lactide) [PLA]. Solid PLA films (SurgiWrap®) are already successfully in clinical use due to the good biocompatibility and the biodegradability of the material resulting in non-toxic degradation products since lactic acid is naturally part of the metabolic circles of the human body. Considering the brittleness and stiffness of the films, the long degradation time of several months as well as the need for suturing, there is potential for optimization. Through a copolymerization with the hydrophilic poly(ethylene glycol) [PEG], a reduction of the degradation time was intendend. Moreover, the copolymerization should also lead to an improvement of the mechanical properties of the films since PEG acts as plasticizer for PLA. Linear PLA-PEG-PLA triblock copolymers as well as star-shaped PEG-PLA copolymers were synthesized via standard ring opening polymerization to tailor the barrier properties. Besides solid films, solution electrospun meshes from PLA and the synthesized PEG-PLA copolymers were investigated for a potential application as well. Since suturing of a barrier additionally induces adhesion formation, alginate coated membranes were prepared in order to achieve self-adhesiveness. With the intention to reduce infections and consequently inflammation, electrospun meshes and solvent cast films were loaded with the antibacterial drug triclosan and drug release as well as antibacterial efficacy was investigated. 
Mechanical tests confirmed that through the variation of the PEG content and branching the mechanical properties can be tailored and are in good accordance with the glass transition temperatures [Tg] of the polymers. Consequently, potentially adequate mechanical properties for surgical handling as well as for the performance within the patient’s body were successfully achieved. Degradation studies revealed that the degradation time was significantly shorter for PEG-PLA membranes than for PLA films and with an appropriate PEG content could be adjusted to the intended time frame. Cell adhesion and viability tests confirmed the non-toxicity of the clinically used PLA films as well as of PEG-PLA films and meshes. With a bioadhesion test the benefit of an alginate coated side towards the pure PLA film concerning self-adhesiveness was successfully demonstrated. Moreover, optical evaluations and a T-peel test of different alginate coated PLA films showed that the cohesion between the chemically different layers was distinctly enhanced by the use of an appropriate PEG-PLA mesh as intermediate cohesion promoting layer. In in vitro release studies with triclosan loaded films a higher release was determined for PEG-PLA than for PLA films. In agar diffusion tests a higher and longer inhibition of staphylococcus aureus growth was observed confirming the release results. Moreover, drug loaded meshes (especially drug loaded after electrospinning) showed enhanced and elongated bacterial inhibition in comparison to films.
N2  - Intraperitoneale Adhäsionen sind fibröse Bänder, die Gewebe in der Peritonealhöhle miteinander verbinden, die normalerweise voneinander getrennt sind. Diese Adhäsionen entstehen als Folge von Trauma, Entzündung  oder chirurgischen Eingriffen und bringen oft schwerwiegende Folgen mit sich wie chronische Schmerzen, Dünndarmobstruktionen oder Unfruchtbarkeit bei Frauen.
Ziel dieser Arbeit war es, synthetische Barrieren aus modifiziertem Poly(laktid) [PLA] für die Adhäsionsprävention zu entwickeln. PLA-Filme (SurgiWrap®) werden bereits erfolgreich klinisch eingesetzt aufgrund der guten Biokompatibilität und der Bioabbaubarkeit des Materials mit seinen ungiftigen Abbauprodukten, da Milchsäure natürlicher Bestandteil der metabolischen Zyklen im menschlichen Körper ist. Betrachtet man jedoch die Sprödigkeit und Steifigkeit der Filme, die lange Abbauzeit von mehreren Monaten sowie die Notwendigkeit des Annähens, erkennt man noch Verbesserungspotential. Durch eine Copolymerisation mit hydrophilem Poly(ethylen glykol) [PEG] wurde eine Reduktion der Abbauzeit angestrebt. Zusätzlich sollte die Copolymerisation zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Filme führen, da PEG als Weichmacher von PLA dient. Lineare PLA-PEG-PLA-Triblock-Copolymere sowie sternförmige PEG-PLA-Copolymere wurden über eine Standard-Ringöffnungspolymerisation synthetisiert um die Barriereeigenschaften maßzuschneidern. Neben massiven Filmen wurden aus der Lösung elektrogesponnene Vliese aus PLA und den synthetisierten PEG-PLA-Copolymeren für eine potentielle Anwendung untersucht. Da das Annähen einer Barriere zusätzlich Adhäsionsbildung hervorruft, wurden mit Alginat beschichtete Membranen hergestellt um eine Selbsthaftung zu erreichen. Mit der Intention, Infektionen und damit Entzündungen zu reduzieren, wurden elektrogesponnene Vliese und aus der Lösung gegossene Filme mit dem antibakteriellen Arzneistoff Triclosan beladen und die Freisetzung sowie die antibakterielle Wirksamkeit untersucht. 
Mechanische Tests bestätigten, dass mit der Variation von PEG-Gehalt und Verzweigung die mechanischen Eigenschaften zugeschnitten werden können und gut mit den Glasübergangstemperaturen der Polymere in Einklang stehen. Folglich konnten potentiell passende mechanische Eigenschaften für die chirurgische Handhabung sowie für das Verhalten im Körper des Patienten erfolgreich erreicht werden. Abbaustudien zeigten, dass die Abbauzeit von PEG-PLA-Membranen signifikant kürzer war als von PLA-Filmen und mit geeignetem PEG-Gehalt erfolgreich auf den erzielten Zeitraum hin angepasst werden konnte. Zelladhäsion und Zellviabilitätstests bestätigten die Ungiftigkeit der klinisch eingesetzten PLA-Filme sowie der PEG-PLA-Filme und –Vliese. Mit einem Bioadhäsionstest konnte der Nutzen einer Alginatbeschichtung gegenüber einem reinen PLA-Film bezüglich einer Selbsthaftung erfolgreich gezeigt werden. Außerdem ergaben visuelle Begutachtungen und ein T-Peeltest von verschiedenen mit Alginat beschichteten PLA-Filmen, dass die Kohäsion zwischen den chemisch unterschiedlichen Schichten durch den Einsatz eines geeigneten PEG-PLA-Vlieses als kohäsionsfördernde Zwischenschicht deutlich verstärkt wurde. In in vitro Freisetzungsstudien mit Triclosan-beladenen Filmen wurde eine höhere Freisetzung für PEG-PLA- als für PLA-Filme bestimmt. In Agardiffusionstests wurde eine höhere und längere Wachstumshemmung von Staphylococcus aureus beobachtet, was die Freisetzungsergebnisse bestätigt. Weiterhin zeigten Arzneistoff-beladene Vliese (insbesondere mit Arzneistoffbeladung nach dem Elektrospinning) eine verstärkte und verlängerte bakterielle Inhibition im Vergleich zu Filmen.
KW  - Polymere
KW  - Biologischer Abbau
KW  - Polyethylenglykole
KW  - postsurgical adhesion
KW  - biodegradable polymer
KW  - Polymilchsäure
KW  - Adhäsion
KW  - polylactid
KW  - polyethylenglykole
KW  - Blockcopolymere
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-129358
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kade, Juliane Carolin
T1  - Expanding the Processability of Polymers for a High-Resolution 3D Printing Technology
T1  - Erweiterung der Verarbeitbarkeit von Polymeren für eine hochauflösende 3D-Drucktechnologie
N2  - This thesis identifies how the printing conditions for a high-resolution additive manufacturing technique, melt electrowriting (MEW), needs to be adjusted to process electroactive polymers (EAPs) into microfibers. Using EAPs based on poly(vinylidene difluoride) (PVDF), their ability to be MEW-processed is studied and expands the list of processable materials for this technology.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wird melt electrowriting (MEW), eine hochauflösende additive Fertigungstechnik, zur Herstellung von Polymerfasern im unteren Mikrometerbereich eingesetzt. Neue Materialien, hauptsächlich elektroaktive Polymere (EAPs) auf Basis von Poly(vinylidendifluorid) (PVDF), werden hinsichtlich ihrer Druckbarkeit untersucht, um die Liste der prozessierbaren Materialien für diese Technologie zu erweitern.
KW  - Polymere
KW  - Melt electrowriting
KW  - Biofabrication
KW  - 3D-Druck
KW  - 3D Printing
KW  - Polymers
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-270057
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heffels, Karl-Heinz
T1  - Functional nanofibres for regenerative medicine
T1  - Funktionelle Nanofasern für die regenerative Medizin
N2  - This thesis concerned the design and examination of a scaffold for tissue engineering applications. The template for the presented scaffold came from nature itself: the intercellular space in tissues that provides structure and support to the cells of the respective tissue, known as extracellular matrix (ECM). Fibres are a predominant characteristic feature of ECM, providing adhesion sites for cell-matrix interactions. In this dissertation a fibrous mesh was generated using the electrospinning technique to mimic the fibrous structure of the ECM. Two base polymers were explored: a biodegradable polyester, poly(D,L-lactide-co-glycolide); and a functional PEG-based star polymer, NCO-sP(EO-stat-PO). This topic was described in three major parts: the first part was materials based, concerning the chemical design and characterisation of the polymer scaffolds; the focus was then shifted to the cellular response to this fibrous scaffold; and finally the in vivo performance of the material was preliminarily assessed. The first steps towards an electrospun mesh started with adjusting the spinning parameters for the generation of homogeneous fibres. As reported in Chapter 3 a suitable setup configuration was on the one hand comprised of a spinning solution that consisted of 28.5 w/v% PLGA RG 504 and 6 w/v% NCO-sP(EO-stat-PO) in 450 µL acetone, 50 µL DMSO and 10 µL of an aqueous trifluoroacetic acid solution. On the other hand an ideal spinning behaviour was achieved at process parameters such as a flow rate of 0.5 mL/h, spinneret to collector distance of 12-16 cm and a voltage of 13 kV. The NCO-sP(EO-stat-PO) containing fibres proved to be highly hydrophilic as the functional additive was present on the fibre surface. Furthermore, the fibres featured a bulk degradation pattern as a consequence of the proportion of PLGA. Besides the morphologic similarity to ECM fibres, the functionality of the electrospun fibres is also decisive for a successful ECM mimicry. In Chapter 4, the passive as well as active functionality of the fibres was investigated. The fibres were required to be protein repellent to prevent an unspecific cell adhesion. This was proven as even 6.5 % sP(EO-stat-PO) in the PLGA fibres reduced any unspecific protein adsorption of bovine serum albumin and foetal calf serum to less than 1 %. However, avidin based proteins attached to the fibres. This adhesion process was avoided by an additional fibre surface treatment with glycidol. The active functionalisation of NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres was investigated with two fluorescent dyes and biocytin. A threefold, chemically orthogonal, fibre modification was achieved with these dyes. The chapters about the chemical and mechanical properties laid the basis for the in vitro chapters where a specific fibre functionalisation with peptides was conducted to analyse the cell adhesion and biochemical expressions. Beginning with fibroblasts in Chapter 5 the focus was on the specific cell adhesion on the electrospun fibres. While NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres without peptides did not allow any adhesion of fibroblasts, a fibre modification with GRGDS (an adhesion mediating peptide sequence) induced the adhesion and spreading of human dermal fibroblasts on the fibrous scaffolds. The control sequence GRGES that has no adhesion mediating qualities did not lead to any cell adhesion as observed on fibres without modifications. While the experiments of Chapter 5 were a proof-of-concept, in Chapter 6 a possible application in cartilage tissue engineering was examined. Therefore, primary human chondrocytes were seeded on fibrous scaffolds with various peptide sequences. Though the chondrocytes exhibited high viability on all scaffolds, an active interaction of cells and fibres was only found for the decorin derived sequence CGKLER. Live-cell-imaging revealed both cell attachment and migration within CGKLER-modified meshes. As chondrocytes undergo a de-differentiation towards a fibroblast-like phenotype, the chondrogenic re-differentiation on these scaffolds was investigated in a long term cell culture experiment of 28 days. Therefore, the glycosaminoglycan production was analysed as well as the mRNA expression of genes coding for collagen I and II, aggrecan and proteoglycan 4. In general only low amounts of the chondrogenic markers were measured, suggesting no chondrogenic differentiation. For conclusive evidence follow-up experiments are required that support or reject the findings. The success of an implant for tissue engineering relies not only on the response of the targeted cell type but also on the immune reaction caused by leukocytes. Hence, Chapter 7 dealt with primary human macrophages and their behaviour and phenotype on two-dimensional (2D) surfaces compared to three-dimensional (3D) fibrous substrates. It was found that the general non-adhesiveness of NCO-sP(EO-stat-PO) surfaces and fibres does not apply to macrophages. The cells aligned along the fibres on surfaces or resided in the pores of the meshes. On flat surfaces without 3D structure the macrophages showed a retarded adhesion kinetic accompanied with a high migratory activity indicating their search for a topographical feature to adhere to. Moreover, a detailed investigation of cell surface markers and chemokine signalling revealed that macrophages on 2D surfaces exhibited surface markers indicating a healing phenotype while the chemokine release suggested a pro-inflammatory phenotype. Interestingly, the opposite situation was found on 3D fibrous substrates with pro-inflammatory surface markers and pro-angiogenic cytokine release. As the immune response largely depends on cellular communication, it was concluded that the NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres induce an adequate immune response with promising prospects to be used in a scaffold for tissue engineering. The final chapter of this thesis reports on a first in vivo study conducted with the presented electrospun fibres. Here, the fibres were combined with a polypropylene mesh for the treatment of diaphragmatic hernias in a rabbit model. Two scaffold series were described that differed in the overall surface morphology: while the fibres of Series A were incorporated into a thick gel of NCO-sP(EO-stat-PO), the scaffolds of Series B featured only a thin hydrogel layer so that the overall fibrous structure could be retained. After four months in vivo the treated defects of the diaphragm were significantly smaller and filled mainly with scar tissue. Thick granulomas occurred on scaffolds of Series A while the implants of Series B did not induce any granuloma formation. As a consequence of the generally positive outcome of this study, the constructs were enhanced with a drug release system in a follow-up project. The incorporated drug was the MMP-inhibitor Ilomastat which is intended to reduce the formation of scar tissue. In conclusion, the simple and straight forward fabrication, the threefold functionalisation possibility and general versatile applicability makes the meshes of NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres a promising candidate to be applied in tissue engineering scaffolds in the future.
N2  - Diese Dissertation beschäftigte sich mit der Entwicklung und Untersuchung eines Gerüsts zur Geweberegeneration. Der interzelluläre Raum, der in Geweben für die Gewebestruktur verantwortlich ist, wurde als Vorbild aus der Natur für das entwickelte Gerüst verwendet. Fasern sind in dieser extrazellulären Matrix (EZM) ein charakteristischer Bestandteil, die Adhäsionssequenzen für Zell-Matrix-Interaktionen enthalten und zur strukturellen Organisation der Gewebe beitragen. In der vorliegenden Arbeit wurden Faservliese mit Hilfe des elektrostatischen Verspinnens hergestellt, um die natürlichen Fasern der EZM zu imitieren. Zwei Polymere bildeten die chemische Grundlage für diese Fasern: Ein bioabbaubarer Polyester, Poly(D,L-Laktid-co-Glykolid) (PLGA) und ein funktionales auf Polyethylenglykol basierendes, sternförmiges Polymer, NCO-sP(EO-stat-PO). Der erste Teil des in drei Hauptteile untergliederten Themas beschäftigte sich mit dem chemischen Design und der Fasercharakterisierung im Sinne der Materialeigenschaften. Der zweite Teil betrachtet die Auswirkungen der Fasern auf zellulärer Ebene, während der dritte Teil einen ersten Eindruck über die in vivo Reaktion auf die Materialien vermittelt. Die ersten Schritte in Richtung eines elektrostatisch gesponnenen Vlieses begannen mit der Erforschung geeigneter Einstellungen für eine homogene Faserproduktion. Kapitel 3 thematisiert geeignete Spinnparameter, zu denen auf der einen Seite eine spinnfähige Lösung gehörte, die aus 28.5 w/v% PLGA RG 504 und 6 w/v% NCO-sP(EO-stat-PO) in 450 µL Aceton, 50 µL DMSO und 10 µL trifluoressigsaurer wässriger Lösung besteht. Auf der anderen Seite wurden Prozessparameter gefunden, wie zum Beispiel eine Flussrate von 0.5 mL/h und ein Kollektor-Abstand von 12-16 cm, die bei einer Potentialdifferenz von 13 kV ein stabiles Spinnverhalten garantierten. Fasern mit dem Additiv NCO-sP(EO-stat-PO) zeigten eine äußerst starke Hydrophilie, da das Additiv während des Spinnprozesses an die Faseroberfläche segregierte. Des Weiteren sind die Fasern dank des PLGA-Anteils nach einem Volumenabbaumechanismus unter physiologischen Bedingungen degradierbar. Neben der morphologischen Ähnlichkeit zwischen natürlichen Fasern der EZM und elektrogesponnenen Fasern ist die Funktionalität der synthetischen Fasern entscheidend für eine erfolgreiche Imitation der EZM. Kapitel 4 betrachtet deswegen sowohl die passive als auch aktive Funktionalität der Fasern. Unter passive Funktionalität fällt das proteinabweisende Verhalten, welches eine unspezifische Zelladhäsion verhindert. Es wurde gezeigt, dass ein Anteil von 6.5 % sP(EO-stat-PO) in den PLGA-Fasern ausreicht, um die unspezifische Adhäsion von Albumin aus Rinderserum und fötalem Kälberserum auf weniger als 1 % zu senken. Dennoch adhärierten avidinbasierte Proteine auf den Fasern, was jedoch durch eine Behandlung mit Glycidol unterbunden werden konnte. Die aktive Funktionalisierung wurde exemplarisch mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen und Biocytin untersucht. Mit diesen Modellmolekülen wurde eine dreifache, chemisch orthogonale Fasermodifizierung erreicht. Die Kapitel über die chemischen und mechanischen Eigenschaften haben die Grundlage für in vitro Zellversuche gelegt, bei denen eine Faserfunktionalisierung mit Peptidsequenzen durchgeführt wurde, um eine spezifische Zelladhäsion zu erreichen und die biochemische Reaktion der Zellen zu untersuchen. In Kapitel 5 lag der Fokus auf der spezifischen Adhäsion von humanen dermalen Fibroblasten an den elektrogesponnenen Fasern. Während NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA Fasern ohne Peptide keine Zelladhäsion zuließen, induzierte eine Fasermodifikation mit GRGDS, einer adhäsionsvermittelnden Peptidsequenz, sowohl die Adhäsion als auch Ausbreitung der Fibroblasten auf den Fasern. Eine Kontrollsequenz ohne adhäsionsvermittelnde Eigenschaften (GRGES), führte, wie auch Fasern ohne Peptide, zu keiner Zelladhäsion. Die Experimente von Kapitel 6 gingen über das reine Machbarkeitskonzept von Kapitel 5 hinaus, indem eine mögliche Anwendung im Bereich der Knorpelregeneration untersucht wurde. Daher wurden primäre humane Chondrozyten auf Faservliesen ausgesät, die mit unterschiedlichen Peptiden modifiziert wurden. Trotz einer allgemein sehr guten Vitalität der Zellen auf allen Fasertypen, zeigten die Chondrozyten nur auf Vliesen mit der aus Decorin abgeleiteten CGKLER-Sequenz eine aktive Interaktion. Diese konnte mit dem Live-Cell-Imaging-Verfahren anhand der Zelladhäsion und Zellmigration beobachtet werden. Da Chondrozyten in der 2D-Expansionszellkultur einer Dedifferenzierung in Richtung eines Fibroblasten ähnlichen Zelltypen unterliegen, wurde eine 28-tägige Studie durchgeführt, um das Redifferenzierungsverhalten auf den Fasergerüsten zu untersuchen. Dazu wurde sowohl die Glykosaminoglykanproduktion analysiert als auch die mRNA Expression der Gene, die die Kollagen I und II, Aggrecan und Proteoglykan 4 Produktion regulieren. Die chondrogenen Marker wurden in diesen Versuchen nur geringfügig ausgeschüttet, was in Anbetracht der großen Varianzen in den Messwerten auf keine Redifferenzierung schließen lässt. Für eine abschließende Beurteilung werden Folgeexperimente empfohlen, die die gemachten Beobachtungen bestärken oder widerlegen. Der Erfolg eines Implantats zur Geweberegeneration beruht nicht nur auf der gewünschten Reaktion des Zielzelltyps, sondern auch auf der Immunreaktion des Organismus, welche durch Leukozyten gesteuert wird. Folglich beschäftigte sich Kapitel 7 mit dem Verhalten und den Phänotypen primärer humaner Makrophagen auf dreidimensionalen Fasergerüsten und zweidimensionalen Oberflächen im Vergleich zueinander. Bei den Versuchen zeigte sich, dass die generelle Nicht-Adhäsivität von NCO-sP(EO-stat-PO) Oberflächen für Makrophagen nicht zutrifft. Die Zellen richteten sich an den Fasern auf den Oberflächen aus oder saßen in den Poren der Vliese. Auf flachen Oberflächen ohne dreidimensionale Struktur wiesen die Makrophagen ein verzögertes Adhäsionsverhalten auf und migrierten stark über die Oberfläche auf der Suche nach topographischen Unebenheiten, um dort adhärent zu werden. Des Weiteren zeigte eine detaillierte Untersuchung der Oberflächenmarker und der Zytokinausschüttung, dass Makrophagen auf 2D-Oberflächen gemäß der Oberflächenmarker einen entzündungs-hemmenden Phänotypen aufwiesen, während die Zytokinausschüttung einen entzündungs-fördernden Phänotypen suggerierte. Interessanterweise bot sich das entgegengesetzte Bild auf 3D-Faseroberflächen. Hier wurde die Erkenntnis gewonnen, dass die Morphologie einen größeren Einfluss auf die Zellreaktion hat als die Oberflächenchemie. Da die Immunantwort eines Organismus auf ein Implantat stark von der interzellularen Kommunikation abhängt, wurde gefolgert, dass die NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA Fasern eine adäquate Immunantwort hervorrufen mit vielversprechenden Aussichten, die Fasergerüste im Bereich der Geweberegeneration einzusetzen. Das letzte Kapitel der Dissertation berichtet über eine erste in vivo Studie der hier vorgestellten Fasern. Mit den Fasern wurde ein bestehendes Behandlungskonzept für Hernien des Zwerchfells erweitert und die Leistungsfähigkeit in einem Kaninchenmodell überprüft. Zwei Gerüsttypen wurden untersucht, die sich in der Oberflächenmorphologie maßgeblich unterschieden: In Serie A wurden die elektrogesponnenen Fasern in ein Gel aus NCO-sP(EO-stat-PO) gebettet, während die Fasern in Serie B nur mit einer dünnen Gelschicht bedeckt wurden, so dass die topografische Faserstruktur erhalten blieb. Nach 4 Monaten in vivo waren die behandelten Zwerchfelldefekte signifikant kleiner und überwiegend mit Narbengewebe gefüllt. Die ausgeprägte Granulombildung bei Fasergerüsten der Serie A konnte in der darauffolgenden Studie (Serie B) minimiert werden. Das gute Abschneiden dieser Studien wurde zum Anlass genommen, die Vliese weiterzuentwickeln und eine Medikamentenfreisetzung (Ilomastat) zu integrieren, um die Narbenbildung zu minimieren. Zusammenfassend beschreibt diese Dissertation einen einfachen und direkten Weg, Fasern für eine gezielte Geweberegeneration zu erzeugen, die dreifach funktionalisierbar und vielseitig anwendbar sind. Dies macht Fasergerüste auf der Basis von NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA zu einem vielversprechenden Kandidaten um in der Geweberegeneration eingesetzt zu werden.
KW  - Nanofaser
KW  - Gewebe
KW  - Regeneration
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Polymere
KW  - Elektrostatisches Verspinnen
KW  - Geweberegeneration
KW  - Fibroblasten
KW  - Makrophagen
KW  - Chondrozyten
KW  - Wirkstofffreisetzung
KW  - Oberflächenfunktionalisierung
KW  - Electrospinning
KW  - tissue engineering
KW  - surface functionalisation
KW  - drug release
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-75684
N1  - Die Arbeit wurde am Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde angefertigt
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hauptstein, Niklas
T1  - Site directed molecular design and performances of Interferon-α2a and Interleukin-4 bioconjugates with PEG alternative polymers
T1  - Seitenspezifisches molekulares Design und Eigenschaften von Interferon-α2a und Interleukin-4 Biokonjugaten mit PEG alternativen Polymeren
N2  - Serum half-life elongation as well as the immobilization of small proteins like cytokines is still one of the key challenges for biologics. This accounts also for cytokines, which often have a molecular weight between 5 and 40 kDa and are therefore prone to elimination by renal filtration and sinusoidal lining cells. To solve this problem biologics are often conjugated to poly(ethylene glycol) (PEG), which is the gold standard for the so called PEGylation. PEG is a synthetic, non-biodegradable polymer for increasing the hydrodynamic radius of the conjugated protein to modulate their pharmacokinetic performance and prolong their therapeutic outcome. Though the benefits of PEGylation are significant, they also come with a prize, which is a loss in bioactivity due to steric hindrance and most often the usage of heterogeneous bioconjugation chemistries. While PEG is a safe excipient in most cases, an increasing number of PEG related side-effects, such as immunological responses like hypersensitivity and accelerated blood clearance upon repetitive exposure occur, which highlights the need for PEG alternative polymers, that can replace PEG in such cases.
Another promising method to significantly prolong the residence time of biologics is to immobilize them at a desired location. To achieve this, the transglutaminase (TG) Factor XIIIa (FXIIIa), which is an important human enzyme during blood coagulation can be used. FXIIIa can recognize specific peptide sequences that contain a lysine as substrates and link them covalently to another peptide sequence, that contains a glutamine, forming an isopeptide bond. This mechanism can be used to link modified proteins, which have a N- or C-terminal incorporated signal peptide by mutation, to the extracellular matrix (ECM) of tissues.
Additionally, both above-described methods can be combined. By artificially introducing a TG recognition sequence, it is possible to attach an azide group containing peptide site-specifically to the TG, recognition sequence. This allows the creation of a site-selective reactive site at the proteins N- or C-terminus, which can then be targeted by cyclooctyne functionalized polymers, just like amber codon functionalized proteins.
This thesis has focused on the two cytokines human Interferon-α2a (IFN-α2a) and human, as well as murine Interleukin-4 (IL-4) as model proteins to investigate the above-described challenges. IFN-α2a has been chosen as a model protein because it is an approved drug since 1986 in systemic applications against some viral infections, as well as several types of cancer. Furthermore, IFN-α2 is also approved in three PEGylated forms, which have different molecular weights and use different conjugation techniques for polymer attachment. This turns it into an ideal candidate to compare new polymers against the gold standard PEG. Interleukin-4 (IL-4) has been chosen as the second model protein due to its similar size and biopotency. This allows to compare found trends from IFN-α2a with another bioconjugate platform and distinguish between IFN-α2a specific, or general trends. Furthermore, IL-4 is a promising candidate for clinical applications as it is a potent anti-inflammatory protein, which polarizes macrophages from the pro-inflammatory M1 state into the anti-inflammatory M2 state.
N2  - Die Verlängerung der Serum-Halbwertszeit sowie die Immobilisierung kleiner Proteine wie Zytokine ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen für Biologika. Dies gilt auch für Zytokine, die häufig ein Molekulargewicht zwischen 5 und 40 kDa haben und daher leicht durch die Nierenfiltration und sinusoidale Endothelzellen eliminiert werden können. Um dieses Problem zu lösen, werden Biologika häufig an Poly(ethylenglykol) (PEG) konjugiert, das den Goldstandard für die so genannte PEGylierung darstellt. PEG ist ein synthetisches, biologisch nicht abbaubares Polymer, das den hydrodynamischen Radius des konjugierten Proteins vergrößert, um die pharmakokinetische Leistung zu modulieren und die therapeutische Wirkung zu verlängern. Obwohl die Vorteile der PEGylierung beträchtlich sind, haben sie auch ihren Preis, nämlich einen Verlust an Bioaktivität aufgrund sterischer Hindernisse und meist die Verwendung heterogener Biokonjugationstechniken. Obwohl PEG in den meisten Fällen ein sicherer Hilfsstoff ist, treten immer mehr PEG-bedingte Nebenwirkungen auf, wie z. B. immunologische Reaktionen wie Überempfindlichkeit und beschleunigter Abbau bei wiederholter Exposition, was den Bedarf an alternativen PEG-Polymeren unterstreicht, die PEG in solchen Fällen ersetzen können.
Eine weitere vielversprechende Methode, um die Verweildauer von Biologika deutlich zu verlängern, besteht darin, sie an einem gewünschten Ort zu immobilisieren. Dazu kann die Transglutaminase (TG) Faktor XIIIa (FXIIIa) verwendet werden, die ein wichtiges menschliches Enzym bei der Blutgerinnung ist. FXIIIa kann bestimmte Peptidsequenzen, die ein Lysin enthalten, als Substrate erkennen und sie kovalent an eine andere Peptidsequenz, die ein Glutamin enthält, binden, wobei eine Isopeptidbindung entsteht.
Dieser Mechanismus kann benutzt werden um modifizierte Proteine, welche durch Mutation ein N- oder C-terminal eingebautes Signalpeptid besitzen, mit der extrazellularen Gewebematrix (ECM) zu verknüpfen.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die beiden Zytokine humanes Interferon-α2a (IFN-α2a) und humanes sowie murines Interleukin-4 (IL-4) als Modellproteine, um die oben beschriebenen Herausforderungen zu untersuchen. IFN-α2a wurde als Modellprotein ausgewählt, weil es seit 1986 ein zugelassenes Medikament für die systemische Anwendung gegen einige Virusinfektionen und verschiedene Krebsarten ist. Darüber hinaus ist IFN-α2 auch in drei PEGylierten Formen zugelassen, die unterschiedliche Molekulargewichte haben und verschiedene Konjugationstechniken für die Polymeranbindung verwenden. Dies macht es zu einem idealen Kandidaten für den Vergleich neuer Polymere mit dem Goldstandard PEG. Interleukin-4 (IL-4) wurde als zweites Modellprotein gewählt, da es eine ähnliche Größe und Biopotenz aufweist. Dies ermöglicht es, die von IFN-α2a gefundenen Trends mit einer anderen Biokonjugat-Plattform zu vergleichen und zwischen IFN-α2a-spezifischen und allgemeinen Trends zu unterscheiden. Darüber hinaus ist IL-4 ein vielversprechender Kandidat für klinische Anwendungen, da es ein starkes entzündungshemmendes Protein ist, das Makrophagen vom entzündungsfördernden M1-Zustand in den entzündungshemmenden M2-Zustand polarisiert.
KW  - Cytokine
KW  - Interferon <alpha-2a->
KW  - Konjugation
KW  - Polymere
KW  - Interleukin 4
KW  - Bioconjugate
KW  - Polyglycerol
KW  - poly(2-ethyl-2-oxazoline)
KW  - Polyethylenglykole
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296911
ER  -