Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3940
Main Title: Controlling vesicle systems by amphiphilic copolymers
Translated Title: Steuerung und Kontrolle von Vesikelsystemen durch amphiphile Copolymere
Author(s): Bressel, Katharina
Advisor(s): Gradzielski, Michael
Referee(s): Gradzielski, Michael
Narayanan, Theyencheri
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der spontanen Vesikelbildung in wässrigen Tensidmischungen und der Kontrolle der Vesikelstruktur. Dazu wurden Tensidsysteme aus anionischen Perfluortensiden und dem nichtionischen Tetradecyldimethylaminoxid (TDMAO) mit Hilfe des pH-Werts, der Leitfähigkeit, Dynamischer Lichtstreuung (DLS), Viskosität und Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS) charakterisiert, um Vesikelbereiche zu identifizieren. Anhand von Neutronenbeugungsexperimenten an gemischten Tensidkristallen aus nichtionischen oder kationischen Kohlenwasserstofftensiden und anionischen Perfluortensiden, die Kristalle aus gestapelten Tensiddoppelschichten bilden, konnten Informationen über die Struktur der entsprechenden Tensiddoppelschichten in Vesikeln gefunden werden. Die Bildungskinetik und der Vesikelbildungsmechanismus wurden an ausgewählten Vesikelsystemen aus Lithiumperfluoroktylsulfonat (LiPFOS) und TDMAO untersucht, um über den Mechanismus und intermediäre Strukturen, die während der Vesikelbildung auftreten, den Bildungsprozess zu lenken und die Endstrukturen zu beeinflussen. Zur Untersuchung wurde die Stopped-flow Methode in Kombination mit SANS, Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und DLS als Detektionsmethode verwendet. Die Analyse zeigte, daß sich beim Mischen einer mizellaren TDMAO-Lösung mit einer mizellaren LiPFOS-Lösung erst gemischte Scheibchenmizellen bilden, die bis zu einer maximalen Größe wachsen und sich dann in Vesikel mit einer Polydispersität von nur 5% kurz nach der Bildung umwandeln. Dabei bestimmt die Balance zwischen der Linienspannung des Scheibchenrandes und der Biegesteifigkeit der Membran die Größe der gebildeten Vesikel. Temperaturabhängige Messungen dienten dazu, die Biegesteifigkeit zu bestimmen. Mit Hilfe amphiphiler Copolymere vom Pluronic-Typus (POn-EOm-POn oder EOn-POm-EOn), die sich in den Rand der Tensidscheibchenmizellen einlagern können, konnte die Linienspannung verändert werden und damit die Größe der gebildeten Vesikel kontrolliert werden. Außerdem zeigte sich, daß sich die Polymere nach der Vesikelbildung in die Tensiddoppelschicht einlagern und die Vesikel gegenüber Alterungsprozessen stabilisieren. Systematische Änderungen der Polymerstruktur gaben Auskunft über den Einfluß der Polymerarchitektur auf den Vesikelbildungsprozess und die Vesikelgröße und auf die Stabilität der gebildeten Vesikel. Dabei zeigte sich, daß die Vesikelgröße mit der Polymerkonzentration und der Anzahl der Propylenoxidgruppen (PO) zunahm während die Vesikel umso stabiler waren je größer die Anzahl der Ethylenoxidgruppen (EO) war. Ob der Polymerkern aus Polyethylenoxid oder aus Polypropylenoxid bestand hatte keinen signifikanten Einfluß auf die Vesikelstruktur und die Stabilität.
In this work a study about the spontaneous vesicle formation in aqueous surfactant mixtures and the control over the vesicle structure is presented. For that purpose surfactant systems consisting of anionic perfluoro surfactants and the nonionic tetradecyldimethylamine oxide (TDMAO) were characterised by means of the pH value, conductivity, Dynamic Light Scattering (DLS), viscosity and Small Angle Neutron Scattering (SANS) in order to identify vesicle phase regions. By means of Neutron Diffraction experiments on mixed surfactant crystals consisting of nonionic or cationic hydrocarbon surfactants and anionic perfluoro surfactants, that form crystals of stacked surfactant bilayers, information about the structure of correspondent surfactant bilayers in vesicles could be found. The kinetics and the mechanism of vesicle formation were investigated in selected vesicle systems consisting of lithium perfluorooctylsulfonate (LiPFOS) and TDMAO in order to control the formation process and in order to influence the final aggregate structures via the mechanism of formation and intermediate structures. Investigations were carried out with the stopped-flow mixing in combination with SANS, Small Angle X-ray Scattering (SAXS) and DLS as methods of detection. The analysis shows, that upon mixing a micellar TDMAO solution with a micellar LiPFOS solution, first mixed disc-like micelles are formed that grow up to a maximum size and then transform into vesicles with a polydispersity of only 5% shortly after formation. The balance between the line tension of the disc rim and the bending elasticity of the membrane determines the size of the formed vesicles. Temperature dependent measurements were performed in order to determine the bending elasticity. Amphiphilic copolymers of the pluronic type (POn-EOm-POn or EOn-POm-EOn) can be incorporated into the rim of the disc-like surfactant micelles and thereby can alter the line tension and as a result controls the size of the formed vesicles. Furthermore measurements revealed that the polymers are incorporated into the surfactant membrane during the vesicle formation and stabilise the vesicles against ageing processes. Systematic variations of the polymer structure allowed to obtain information about the influence of the polymer architecture on the vesicle formation process and the vesicle size and on the stability of the formed vesicles. As a result it could be shown that the vesicle size increases with the polymer concentration and the number of propylene oxide groups (PO), while the stability increases with the number of ethylene oxide groups (EO). Whether the polymer backbone consisted of polyethylene oxide or of polypropylene oxide had no significant influence on the vesicle structure and stability.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-46951
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4237
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3940
Exam Date: 5-Aug-2013
Issue Date: 6-Feb-2014
Date Available: 6-Feb-2014
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Kinetik
Kleinwinkelstreuung
Vesikelbildung
Kinetics
Small angle scattering
Soft matter
Stopped-flow mixing
Vesicle formation
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