Hazrat Hussain

Amphiphilic Block Copolymers of Poly(ethylene oxide) and Poly(perfluorohexylethyl methacrylate): from Synthesis to Applications

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 19.08.2004

Abstract
Eine neue Serie amphiphiler Di- und Triblock-Copolymere aus Poly(Ethylenoxid) (PEO) und Poly(Perfluorohexylethyl-Methacrylat) (PFMA) wurde mittels atom transfer radical polymerization unter Verwendung von mono- und bifunktionalen PEO Makroinitiatoren synthetisiert. Messungen mit Röntgenkleinwinkelstreuung oberhalb der Schmelztemperatur von PEO zeigten verschiedene geordnete Strukturen, die je nach Zusammensetzung des Polymers als kubisches Kugelgitter (bcc), hexagonal gepackte Zylinder (hpc) oder lamellare Schichten auftraten. Die Kristallisation des PEO führte jedoch zu der Zerstörung der geordneten Struktur der Schmelze und prägte eine Schichtstruktur auf. Wässrige Lösungen der Proben wurden mit dynamischer Lichtstreuung (DLS) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die DLS Ergebnisse zeigten bei Diblock-Copolymeren deutlich das Vorhandensein kleiner Aggregate (Mizellen) und Einzelketten. Bei den Lösungen von Triblock-Copolymeren konnten neben diesen noch zusätzlich große Cluster beobachtet werden. Dabei haben die vermutlich blumenartigen ('flower-like') Einzelmizellen zusätzliche freie Kettenenden in der Lösung, die zu intermizellaren Brücken führen können und somit große Cluster erzeugen. Das Grenzflächenverhalten der Copolymere sowie die Penetration in 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) Monolayer-Schichten an der Luft/Wasser Grenzschicht wurde durch die Messung der Oberflächenspannung ()-Flächen (A) Isothermen in Verbindung mit Infrarot-Reflektions-Absorptions-Spektroskopie ermittelt. Die /A Isothermen der Blockcopolymere zeigten Spannungsbereiche für verschiedene Konformationen der Polymerketten: eine flache Bedeckung der Oberfläche ('pancake') bei geringer Oberflächendichte, sowie bürstenartig bei hohem Oberflächendruck. Die Messung der Cytotoxicität der Blockcopolymere auf menschliche K562 Erythroleucemia Zellen zeigten, dass die verwendeten Materialien bis zu einer Copolymerkoncentration von 0.2 wt.-% ungiftig sind. Die Wechselwirkung der Copolymere mit bilayer-Modellmembranen wurde durch Messung des -Potentials und der Größe der Liposomen in Abhängigkeit von der Polymerkonzentration bestimmt. Die Verkapselung von Testosteron-Undecanoate als Modell für ein hydrophobes Medikament mittels Dialyse wurde ebenfalls untersucht.

A new series of amphiphilic di- and triblock copolymers of Poly(ethylene oxide) (PEO) and Poly(perfluorohexylethyl methacrylate) (PFMA) has been synthesized by atom transfer radical polymerization using mono- or bifunctional PEO macroinitiators. Small angle X-ray scattering studies above the melting temperature of the PEO block have revealed a composition dependent ordered morphologies of cubic arrangement of spheres (bcc), hexagonally packed cylinders (hpc) and lamellar microdomains. Crystallization was, however, found to destroy the ordered melt morphology and imposes a layered structure. Self-assembly in aqueous medium was explored by dynamic light scattering (DLS), and TEM. DLS data reveal the formation of small aggregates (micelles) and single chains in diblock copolymer solutions. In triblock copolymer aqueous solution, large clusters were the dominant scatterers in addition to the micelles and single chains. The individual micelles were assumed flower-like micelles having some chains dangling in solution and the large clusters as the loose aggregates formed by the intermicellar connection through bridges. Interfacial behavior and penetration into 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) monolayer by block copolymers at the air/water interface was studied by measuring the surface pressure ()-area (A) isotherms in conjunction with infrared reflection absorption spectroscopy. The /A isotherms of the block copolymers show pressure regimes corresponding to different conformations of the polymer chains, i.e. a pancake like conformation at low surface coverage, and a brush conformation at high surface pressures. Cytotoxicity of the block copolymers on K562 human erythroleucemia cells reveal that these materials are nontoxic up to a copolymer concentration of 0.2 wt.-%. The interaction of the copolymers with model bilayer membranes was studied by measuring the effect of block copolymers on the -potential value and the size of the liposomes as function of added block copolymer concentration. The encapsulation of a model hydrophobic drug; testosterone undecanoate by the amphiphilic block copolymer micelles by dialysis technique has also been studied.

Keywords:
Atom transfer radical polymerization, Mikrophasenseparation, Selbstassoziation, Grenzflächenverhalten, Modellmembrane, Medikamenten-Verkapselung

Atom transfer radical polymerization, Microphase separation, Self-association, Interfacial behavior, Model membranes, Drug encapsulation

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Publications, Contents, Abbreviations and symbols (I-XI)
1 Introduction (1-13)
2 Synthesis and characterization of bulk properties of poly(ethyleneoxide) and poly(perfluorohexylethyl methacrylate) containing block copolymers (14-35)
3 Behavior of poly(ethylene oxide) and poly(perfluorohexylethylmethacrylate) containing block copolymers in aqueous solution (36-56)
4 Amphiphilic block copolymers of poly(ethylene oxide) and poly(perfluorohexylethyl methacrylate) on water surface and their penetration into lipid monolayer (57-79)
5 Potential pharmaceutical applications of amphiphilic block copolymers of poly(ethylene oxide) and poly(perfluorohexylethyl-methacrylate) or poly(n-decyl methacrylate) (80-105)
6 Summary and perspectives (106-112)
7 Zusammenfassung (113-118)
Literature (119-130)