Synthesis and characterization of anisotropic iron oxides and their incorporation into a thermoresponsive matrix

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden anisotrope multiresponsive Hydrogele hergestellt, um die Wechselwirkungen zwischen magnetischen Partikeln und der sie umgebenden Matrix zu untersuchen. Die magnetischen Partikel wurden in anisotropen Formen hergestellt, um sich so die magnetische Formanisotropie zunutze zu machen und die Orientierung der Partikel in einem Magnetfeld zu untersuchen. Die magnetischen Partikel sollen als Ankerpunkte eines thermoresponsiven Netzwerks fungieren. Das Netzwerk besteht hierbei aus quervernetztem Poly-N-isopropylacrylamid (PNIPAM) welches entweder kovalent über eine die Partikel umgebende Silikat-Schicht an den Partikeln verankert ist oder durch physikalische Adsorption an den Partikeln haftet. Die magnetischen Kerne wurden aus Eisenoxiden, genauer aus Magnetit und Goethit, hergestellt. Alle Reaktionen fanden im wässrigen Medium statt um die Biokompatibilität der Produkte zu erhöhen. Magnetit wurde ausgewählt, da es exzellente magnetische Eigenschaften besitzt; die Herausforderung bestand in der anisotropen Formgebung im wässrigen Medium. Um anisotropes Wachstum zu realisieren, wurden die Partikel in einem hydrothermalen Reaktor hergestellt, wobei verschiedene oberflächenaktive Substanzen zugesetzt wurden. Im Laufe der Experimente fanden wir heraus, dass optimale Resultate erzielt werden, wenn ein Präkursor-basierter Ansatz gewählt wurde. Hierbei wurde Akaganeit als Ausgangsmaterial eingesetzt. Die Partikelform wurde durch Zugabe von Dopamin eingestellt. Unter diesen Bedingungen gelang es, ein phasenreines, polydisperses Produkt zu erhalten, dass sowohl kubische Partikel als auch leicht elongierte Partikel mit einem Aspekt-Verhältnis von 1.5 enthält, wobei die lange Achse der leicht anisotropen Partikel 16 nm und die kurze Achse 11 nm lang ist. Die gemessene Sättigungsmagnetisierung lag bei 273 kA/m was ca. 56% der Bulk-magnetisierung entspricht. Die Partikel zeigten in den Messungen bei Raumtemperatur superparamagnetisches Verhalten. Mit dieser Syntheseroute konnten wir ein Produkt mit den gewünschten Eigenschaften darstellen, wobei die Synthese gleichzeitig unkompliziert ist und gut reproduzierbare Ergebnisse liefert. Um zusätzlich eine stark anisotrope Probe zu erhalten, wurden nadelförmige Goethit Partikel synthetisiert. Diese Partikel sind inhärent antiferromagnetisch, besitzen aber die interessante Eigenschaft ihre Orientierung je nach der Stärke eines angelegten Magnetfeldes zu verändern. Bei schwachen Feldern orientieren sich die Partikel parallel zum Feld, bei starken Feldern orientieren sie sich orthogonal zum Feld. Anstelle der in der Literatur häufig verwendeten Alterungsmethode verwendeten wir auch hier einen hydrothermalen Ansatz, wodurch es uns gelang Goethit Stäbchen in drei Größenbereichen in kurzer Zeit herzustellen. Es wurden kurze Stäbchen mit einer Länge von ca. 210 nm, mittellange Stäbchen mit einer Länge von ca. 270 nm und schließlich lange Stäbchen mit einer Länge beginnend bei 300 nm bis hin zu 1 µm hergestellt. Wir konnten weiterhin zeigen, dass die benötigte Feldstärke, um die Orientierung der Stäbchen zu ändern, abhängig von der Oberfläche der Partikel ist. Je mehr Oberfläche die Partikel besitzen, desto höhere Feldstärken werden benötigt, um die Orientierung zu ändern. Wir konnten diese Beobachtungen sehr gut mit einem mikromagnetischen Modell in Einklang bringen. In einem weiteren Schritt nach der Partikelsynthese konnten die Partikel mit einer Silikat-Schicht umgeben werden, um ihre kolloidale Langzeitstabilität zu verbessern und um die gut zugängliche Silanchemie zu nutzen, um die Partikel kovalent an die Matrix zu binden. Indem wir uns einen Zwei-Phasen Ansatz zunutze machten, konnten wir eine Silikat Hülle mit einstellbarer Schichtdicke zwischen 6 und 30 nm synthetisieren. Als Matrixmaterial wählten wir PNIPAM, denn es besitzt eine körpernahe untere kritische Lösungstemperatur (LCST) um die 32 °C. Zusätzlich ist PNIPAM und insbesondere seine LCST sehr stabil gegenüber seiner chemischen Umgebung und es lässt sich einfach synthetisieren. Die Synthese wurde mit zwei verschiedenen Verfahren durchgeführt, beide verlaufen nach einem frei radikalischen Emulsionspolymerisations-Mechanismus. Die erste benutzt einen grafting-through Ansatz der ein quervernetzbares Kern-Schale System erzeugt, während der zweite Ansatz PNIPAM direkt in Präsenz von Glutaraldehyd (GA) polymerisiert, um direkt ein Makrogel zu erzeugen, in das die Partikel anschließend eingerührt werden können. Wir haben die mechanischen Eigenschaften dieser multiresponsiven Komposite und ihre Änderungen bei Anlegen eines Magnetfeldes mit Hilfe von rheologischen Messungen untersucht. Zusätzlich haben wir die Fähigkeit der Partikel untersucht, sich im magnetischen Feld innerhalb der Matrix zu orientieren. Dabei wurden sowohl Messungen mit umgebender Matrix als auch ohne durchgeführt. Um die Auswirkungen der Matrix zu testen, wurde die Quervernetzungsdichte und die Größe der Mikrogelkugeln variiert, wobei Größen zwischen 212 nm und 442 nm eingestellt wurden. Wir konnten beobachten, dass kurze Stäbchen (Größe ca. 210 nm x 30 nm) effektiv in ihrer Orientierung gestoppt werden konnten, wenn die Mikrogel-Kugeln groß gewählt wurden. Durch die thermoresponsiven Eigenschaften des Hydrogels konnten wir es bei Temperaturerhöhung über 32 °C auf ca. 100 nm zusammenschrumpfen lassen, was dazu führte, dass die Partikel sich wieder orientieren konnten. Dieser Temperaturübergang ist vollständig umkehrbar, was wir sowohl durch den wiederhergestellten hydrodynamischen Radius als auch an einer wieder eingefrorenen Partikelorientierung nachweisen konnten. Wir zeigen hier, dass die Partikel bei Anlegen eines Magnetfeldes die Matrix beeinflussen können, indem sie die Steifigkeit der Matrix ändern und gleichzeitig andersherum die Matrix die Partikel beeinflusst, indem sie ihre Orientierungsfähigkeit moduliert, wenn sie auf einen Temperatur Stimulus reagiert.