Kern-Schale Nanoteilchen - Struktur und Self-Assembly an flüssig-flüssig-Grenzflächen

Polymer-umhüllte Kern-Schale Nanopartikel (NP) sind von immensem wissenschaftlichen und technologischen Interesse, auf Grund ihrer Fähigkeit auf externe Stimuli zu reagieren und ihrer Verwendbarkeit als Bausteine für Self-Assembly von neuen Funktionsmaterialien. Große Mühe wurde bereits darauf verwendet solche NP-Systeme zu synthetisieren, und vielversprechende Anwendungen, wie beispielsweise Ultrafiltrierung, Verkapselung und Abgabe von Arzneiwirkstoffen, werden angestrebt. Dennoch ist ein detailliertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Struktur und Eigenschaften nach wie vor ausständig. Unser Ziel ist es, eine fundamental verbesserte Basis für das Verständnis und die Vorhersage des thermo-empfindlichen Verhaltens und der Self-Assembly-Kinetik von superparamagnetischen NP aus hartem Kern und Polymerhülle im Verhältnis zu der Kern-Schale-Struktur. Ein verbessertes Verständnis wird eine maßgeschneiderte Synthese und genaue Kontrolle von aktiven nano-Pickering-Emulsionen ermöglichen. Diese entstehen durch Self-Assembly von NP an der Grenzfläche von Tröpfchen und können durch Verformung der Schale strukturell gesteuert werden. Um fundamentale Zusammenhänge zu erhalten, stützen wir unsere Untersuchungen auf unsere kürzlich entwickelte, einzigartige Plattform von monodispersen NP mit Eisenoxid-Kern und dicht aufgepfropftem Polymerhüllen, die eine genaue Kontrolle der Strukturparameter ermöglicht. Wir werden eine Palette von Kern-Hülle NP mit unabhängig veränderbarem Kernradius, Hüllendicke und Polymer-Pfropfdichte herstellen und systematisch deren Struktur und Reaktion auf thermische Stimuli in der Masse, sowie Struktur und Self-Assembly an flüssigen Grenzflächen in situ untersuchen. Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreumethoden (SAXS und SANS) sind für diesen Zweck hervorragend geeignet, auf Grund ihrer Nanometer-Auflösung, Volumendurchdringung, zerstörungsfreien Natur und guten Zeitauflösung. Wir werden uns daher auf SAXS und SANS konzentrieren, um die Bildung der NP-Kerne in-situ während der Synthese zu charakterisieren und die Kern- Hülle-Struktur zu untersuchen. Vorläufige Ergebnisse haben die Eignung von SAXS für die Visualisierung von sehr dichten Polymerschalen bereits gezeigt. SAXS am Synchrotron bietet besonders hohe Zeitauflösung für die Beobachtung schneller Umschaltbewegungen der Schale auf Grund thermischer Reize. SAXS unter streifendem Einfall (GISAXS) und Röntgenreflektivitätsmessungen (XR) werden verwendet um die Struktur von NP- Assemblierungen an flüssigen Grenzflächen zu verfolgen. Auf diese Art werden wir strukturelle Eigenschaften von Kern-Hülle NP direkt mit dem thermo-empflindlichen Verhalten und der Self-Assembly-Kinetik in Beziehung setzen können. Für dieses Projekt haben sich zwei Gruppen der BOKU Wien mit wissenschaftlicher Exzellenz in NP Synthese und Assemblierung (E. Reimhult) und Streumethoden (H. Lichtenegger) zusammengetan. Das Projekt wird in enger Anbindung an die Partnership for Soft Condensed Matter (PSCM) durchgefürht, die durch die Europäische Synchrotron Strahlungsquelle ESRF und das Institut Laue Langevin in Grenoble initiiert wurde. Dadurch ist einzigartige Unterstützung für Synchrotron- und Neutronenexperimente gesichert. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse dieses Projektes die fundamentale Basis für das Verständnis und maßgeschneiderte Herstellung einer neuen Klasse von Materialien liefern: ultradünne, mechanisch robuste Membranen aus Kern-Hülle NP, deren Struktur kontrolliert werden kann und die nach Bedarf durch magnetische Felder gesteuert werden können.

Wir haben eine neue Generation magnetischer Nanopartikel entwickelt, welche speziell für biomedizinische Anwendungen bestimmt ist. Die Nanopartikel besitzen einen Kern aus einem biokompatiblen Eisenoxid-Nanokristall, der sich nur dann magnetisch verhält, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Deshalb können die Nanopartikel durch für den Organismus harmlose Magnetfelder kontrolliert werden, indem sie beispielsweise innerhalb des Körpers aufgeheizt oder aus einer Lösung extrahiert werden. Das ist nützlich, um z.B. Wirkstoffe im Organismus zu lokalisieren, zu bewegen oder freizusetzen. Zu diesem Zweck muss aber der Nanokristall von einer Hülle geschützt werden, die auf einen durch das Zielgewebe induzierten Temperaturanstieg oder noch besser auf eine magnetisch bedingte Erwärmung des Nanopartikel-Kerns anspricht. Wir haben solche auf Hitze reagierende Hüllen entwickelt, welche die Partikel von einem für das biologische System unsichtbaren Zustand in einen erkennbaren umwandeln, wodurch die Partikel in die Zellen aufgenommen werden können. Wichtige Entdeckungen im Zug unserer Arbeit setzen die Art, wie das Polymer an den Kern gebunden wird, damit in Beziehung, wie es auf Hitze reagiert, was eine Kontrolle der Nanopartikel in biologischen Systemen erlaubt, die bisher nicht möglich war. Die ausgezeichnete Kontrolle, über diese smarten Nanaopartikel ermöglicht es auch, sie zu einer gewünschten Größe zusammenzuballen, mit dadurch neuen, größenabhängigen Eigenschaften. So kann ihre Bewegung oder auch Entfernung durch Magnetfelder kontrolliert werden. Zusätzlich haben wir gezeigt, dass diese Partikel dazu verwendet werden können, kleinste Tröpfchen aus Pflanzenöl zu formen und zu stabilisieren, die automatisch eine einheitliche Größe, welche kleiner als Zellen ist, annehmen. Sie sind deshalb nützlich, um schlecht wasserlösliche Substanzen, wie beispielsweise viele Medikamente, zu transportieren und mithilfe thermisch oder magnetisch ansteuerbarer Nanopartikel wieder freizusetzen. Die Herstellung solcher Öltröpfchen mit präziser Größe in wässrigen Lösungen war bis vor kurzem nur durch den Einsatz von Detergenzien und mittels mechanischer Prozesse möglich.