Eine Chemikerin bei der bei der Arbeit an einem Mikroskop.

B04

Spitzen-verstärkte Raman-Spektroskopie zur Untersuchung von Oberfläche und strukturellen Veränderungen in Blockcopolymer-basierten Nanopartikeln
Eine Chemikerin bei der bei der Arbeit an einem Mikroskop.

Für die kontrollierte Wirkstofffreisetzung aus Nanopartikeln an einem gewünschten physiologischen Zielort ist die genaue Kenntnis der Struktur des jeweiligen Nanopartikels und/oder des Ortes der gewünschten Fracht entscheidend. Im Hinblick auf diese Ziele wurden im Projekt B04 in der ersten Förderperiode Methoden zur hochauflösenden Untersuchung der Zusammensetzung von polymeren Nanopartikeln und Core-Corona Blockcopolymer-Mizellen unter Verwendung von Kombinationen aus nahfeldoptischer Schwingungsspektroskopie (AFM-TERS, tip-enhanced Raman scatttering) und nanomechanischer Information (FD-AFM, force-distance AFM) entwickelt. Diese Entwicklungen erlauben es, kleinste Unterschiede in der Elastizität und Adhäsion zwischen den Nanopartikeln zu unterscheiden und können schließlich mit den strukturellen Komponenten bis hinunter zu einzelnen monomeren Einheiten, entweder der verwendeten Blockcopolymere oder nicht umgesetzter Verbindungen wie Linkermolekülen, korreliert werden. Für Modell-Nanopartikel und Polyether-basierte Blockcopolymer-Mizellen wurden neuartige Einbettungs- und Schneide- sowie Gefrierbruchverfahren etabliert, die eine klare Unterscheidung von Kern- und Schalenzusammensetzung der Zweiphasensysteme erlauben. Darüber hinaus erwies sich die abgeleitete korrelative Anwendung der Fernfeld- und Nahfeld-Raman-Spektroskopie als ein wesentliches Werkzeug für die allgemeine Untersuchung der Bulk- und Oberflächenzusammensetzung von Nanopartikeln im Allgemeinen. Sehr erfolgreich war die Anwendung der oben genannten nanomechanischen Experimente in Kombination mit TERS, da auf diese Weise Adhäsion und Elastizität mit strukturellen Nachweisen von Hydrophobie / Hydrophilie auf der Nanometerskala korreliert werden konnten.

In der zweiten Förderperiode wird B04 den Schwerpunkt von Modellsystemen auf die Untersuchung grundlegender Parameter verlagern, die mit Wirkstofffreisetzungsmechanismen verbunden sind, sowie auf die Überwachung der Lage und Verteilung verschiedener Wirkstoffe innerhalb einzelner Blockcopolymer-Mizellen, einschließlich Strukturen, bei denen der Kern noch weiter kompartimentiert ist. Die nanoskalige Untersuchung dynamischer Prozesse (z.B. induzierte Strukturänderungen oder Diffusionsprozesse) an einzelnen Nanopartikeln wird auch die mesoskaligen Simulationen von Wirkstofffreisetzungsprozessen unterstützen und gleichzeitig davon profitieren, indem theoretische und experimentelle Ergebnisse auf mesoskopischen Skalen direkt miteinander verknüpft werden. Selektive und reversible Vernetzung spezifischer Domänen, z.B. durch Disulfid- oder Bis-Boronsäure-basierte Vernetzung, sowie die Reaktion auf Temperatur-, pH-Wert- oder sogar Lichtänderungen werden weiter untersucht, um strukturelle Veränderungen des Trägermaterials zu verstehen, die letztlich für die aktive Freisetzung von Komponenten erforderlich sind. Darüber hinaus werden wir die gleichzeitige Verkapselung von zwei verschiedenen Modellwirkstoffen in benachbarten Kompartimenten mizellarer Kerne mit unterschiedlicher Polarität, z.B. fluoriert / hydrophob, untersuchen. Natürlich bilden die in der ersten Förderperiode speziell für die polymeren Nanopartikel etablierten experimentellen Ansätze, die Techniken mit Nanometer-Raumauflösung und die hohe chemische Spezifität umfassen, eine wichtige Säule und werden die Grundlage für die phänomenologischen und strukturellen Untersuchungen im Nanometerbereich sein. Bei der Untersuchung von Wirkstofffreisetzungsmechanismen wird diesmal jedoch eine Übertragung auf realistischere und experimentell anspruchsvollere Bedingungen, wie flüssige Umgebungen, Temperaturänderungen oder Variationen in der chemischen Zusammensetzung der Umgebung, angestrebt. Folglich ist es unser Ziel, eine dynamische strukturelle Untersuchung von Veränderungen in polymeren Nanopartikeln und der jeweiligen Wechselwirkung mit einer inkorporierten Ladung durchzuführen, um ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse zu erlangen.

Grafik Projekt B04 Grafik Projekt B04 Grafik: F. Schacher/V. Deckert

Projektleitung

Prof. Dr. Volker Deckert Prof. Dr. Volker Deckert Foto: Prof. Dr. Volker Deckert

Prof. Dr. Volker Deckert

Leibniz-Institut für Photonische Technologien Jena (IPHT)
Albert-Einstein-Straße 9
07745 Jena
Telefon: +49 3641 206 113
volker.deckert@leibniz-ipht.de

Prof. Dr. Felix H. Schacher Prof. Dr. Felix H. Schacher Foto: Anne Günther (Universität Jena)

Prof. Dr. Felix H. Schacher

Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie (IOMC)
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Humboldtstraße 10
07743 Jena
Telefon: +49 3641 9-48250
felix.schacher@uni-jena.de

Projektmitarbeiterin

Dr. Christiane Höppener

Institut für Physikalische Chemie (IPC)
Helmholtzweg 4
07743 Jena
Telefon: +49 3641 9-48322
christiane.hoeppener@leibniz.ipht.de

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