Self-assembly of Block and Graft Copolymers in Aerosol Nanoparticles

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Raula, Janne, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Rahikkala, Antti
dc.date.accessioned 2015-08-26T09:01:12Z
dc.date.available 2015-08-26T09:01:12Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-952-60-6312-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-6311-9 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/17495
dc.description.abstract This study examined how to control the self-assembly of block and graft copolymers during the aerosol process, which produces nanoparticles with phase-separated inner structure and phase dimensions ranging from 3 nm to 30 nm. The nanoparticles were also studied for the possibility of their use as a drug carriers. Block copolymers consist of two or more chemically different polymer blocks covalently bound together. In graft copolymers molecules are bound as side-chains to the copolymer backbone. The chemical differences within the copolymer lead to phase-separation: the different parts of the copolymer segregate into separate nano-sized domains. The aerosol flow reactor method was used to prepare nanoparticles of block and graft copolymers. In this method, a precursor solution containing the copolymers and any additional molecules is atomized into an aerosol reactor. Laminar gas flow carries the aerosol into the reactor, in which the solvent evaporates and the aerosol droplets dry into solid nanoparticles. The studied copolymers were poly(styrene-block-4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP), a temperature responsive hydrogel poly(styrene-block-N-isopropylacrylamide-block-styrene) (PS-b-PNIPAm-b-PS), and a graft copolymer poly-L-lysine(dodecylbenzenesulfonic acid) (PLL(DBSA)). Furthermore, studies were conducted on PS-b-PNIPAm-b-PS and PLL(DBSA) as potential drug carriers. The self-assembly within the PS-b-P4VP aerosol nanoparticles depended on the copolymer composition, annealing temperature, and solvent composition. Low CholHS side-chain content in the cylinder-forming P4VP resulted in onion-like particles with single CholHS layers, which were sandwiched between P4VP lamellae. Increasing the CholHS content led to smectic P4VP(CholHS) layers perpendicular to the polymer domain interfaces. The highest content resulted in a breakdown of the onion-like structure. PS-b-PNIPAm-b-PS formed nanoparticles with onion-like, gyroid-like, and spherical inner structures with a PNIPAm matrix and physically cross-linking polystyrene domains. Particles with spherical and gyroid-like morphologies swell considerably in water at 20 °C. The release of the incorporated 1,8-ANS fluorescence probe was fastest with the gyroidal and slowest with the sphere-forming morphology. The releases were faster at 25 °C than at 45 °C. Self-assembly of PLL(DBSA) into alpha-helical or beta-sheet secondary structure was controllable with solvent and temperature. The beta-sheet conformation manifested as ~3 nm thick lamellae on the particle surface while alpha-helix formed worm-like domains in the core. Added drugs budesonide and ketoprofen prevented beta-sheet formation and PLL(DBSA)−drug nanoparticles were in the alpha-helical conformation. Drug release from nanoparticles improved the solubility of the poorly soluble budesonide. en
dc.description.abstract Tämän väitöskirjan tarkoitus oli tutkia lohko- ja oksastettujen kopolymeerien itsejärjestymistä nanohiukkasissa faasierottuneisiin, mitoiltaan 3-30 nm paksuihin sisärakenteisiin, kun hiukkaset tuotetaan aerosolivirtausreaktoritekniikalla. Väitöskirjassa tutkittiin myös nanohiukkasten soveltuvuutta lääkkeenkuljetukseen. Lohkopolymeerit koostuvat kahdesta tai useammasta kemiallisesti erilaisesta polymeeristä, jotka on kovalenttisesti sidottu toisiinsa. Oksastetuissa kopolymeereissä molekyylejä on kiinnitetty sivuketjuina pääketjuun. Kopolymeerien eri osien väliset kemialliset erot johtavat faasierottumiseen. Tässä kokeellisessa työssä aerosolivirtausreaktorimenetelmää käytettiin valmistamaan nanohiukkasia lohko- ja oksastetuista kopolymeereistä. Tässä menetelmässä esiliuos, joka sisältää kopolymeerit ja mahdolliset muut molekyylit, pisaroidaan kantokaasuun aerosoliksi ja johdetaan virtausreaktoriin. Liuotin haihtuu aerosolipisaroista, jotka kuivuvat kiinteiksi nanohiukkasiksi. Tutkitut kopolymeerit olivat poly(styreeni-lohko-4-vinyylipyridiini) (PS-b-P4VP), lämpövasteellinen hydrogeeli poly(styreeni-lohko-N-isopropyyliakryyliamidi-lohko-styreeni) (PS-b-PNIPAm-b-PS) sekä oksastettu poly-L-lysiini(dodekyylibenzeenisulfoninen happo) (PLL(DBSA)). Lisäksi lääkkeenkuljetussoveltuvuutta tutkittiin PS-b-PNIPAm-b-PS:llä ja PLL(DBSA):lla. Itsejärjestyminen PS-b-P4VP nanohiukkasissa riippui aerosolireaktorin lämpötilasta sekä liuottimen ja kopolymeerien koostumuksesta. Kiinnittämällä sivuketjuja sylintereitä muodostavaan P4VP:iin tuotettiin sipulimaisia hiukkasia, joissa sivuketjut muodostivat yksittäisen kerroksen P4VP-lamellien väliin. Lisäämällä sivuketjujen määrää asteittain tämä rakenne muuttui smektisiksi lamelleja vastaan kohtisuoriksi tasoiksi. Suurin sivuketjujen määrä johti sipulirakenteen hajoamiseen. PS-b-PNIPAm-b-PS muodosti nanohiukkasissa sipulimaisia, gyroidimaisia sekä pallomaisia sisärakenteita, joissa PNIPAm oli matriisimateriaali ja PS muodosti fyysisesti ristisilloittavat alueet. Pallomaisen ja gyroidimaisen sisärakenteen omaavat nanohiukkaset turposivat vedessä 20 °C lämpötilassa. 1,8-ANS fluoresenssi-molekyylin vapautus oli nopeinta gyroidimaisista ja hitainta pallorakenteisista nanohiukkasista. Vapautukset olivat nopeampia 25 °C:ssa kuin 45 °C:ssa. PLL(DBSA):n itsejärjestyminen alpha-kierteisiin tai beta-laskoksiin oli hallittavissa liuottimella ja lämpötilalla. Beta-laskokset ilmenivät ~3 nm paksuina lamelleina nanohiukkasien pinnalla ja alpha-kierteet matomaisina alueina nanohiukkasien sisällä. Budesonidi ja ketoprofeeni estivät   beta-laskosten muodostumisen nanohiukkasiin. Lääkkeenvapautus nanohiukkasista paransi huonoliukoisen budesoniden vapautusta. fi
dc.format.extent 59 + app. 57
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 106/2015
dc.relation.haspart [Publication 1]: A. Rahikkala, A.J. Soininen, J. Ruokolainen, R. Mezzenga, J. Raula, E.I. Kauppinen. Self-assembly of PS-b-P4VP Block Copolymers of Varying Architectures in Aerosol Nanospheres. Soft Matter 2013, 9, (5), 1492-1499. DOI: 10.1039/C2SM26913A
dc.relation.haspart [Publication 2]: A. Soininen, A. Rahikkala, J.T. Korhonen, E.I. Kauppinen, R. Mezzenga, J. Raula, J. Ruokolainen. Hierarchical Structures of Hydrogen-Bonded Liquid-Crystalline Side-Chain Diblock Copolymers in Nanoparticles. Macromolecules 2012, 45, (21), 8743-8751. DOI: 10.1021/ma301486p
dc.relation.haspart [Publication 3]: A. Nykänen, A. Rahikkala, S.P. Hirvonen, V. Aseyev, H. Tenhu, R. Mezzenga, J. Raula, E. Kauppinen, and J. Ruokolainen. Thermally Sensitive Block Copolymer Particles Prepared via Aerosol Flow Reactor Method: Morphological Characterization and Behavior in Water. Macromolecules 2012, 45, (20), 8401-8411. DOI: 10.1021/ma301687b
dc.relation.haspart [Publication 4]: A. Rahikkala, V.O. Aseyev, H. Tenhu, E.I. Kauppinen, J. Raula. Thermoresponsive Nanoparticles of Self-Assembled Block Copolymers as Potential Carriers for Drug Delivery and Diagnostics. Accepted for publication in Biomacromolecules. 15 pages. DOI: 10.1021/acs.biomac.5b00690.
dc.relation.haspart [Publication 5]: A. Rahikkala, S. Junnila, V. Vartiainen, J. Ruokolainen, O. Ikkala, E.I. Kauppinen, J. Raula. Polypeptide-Based Aerosol Nanoparticles: Self-Assembly and Control of Conformation by Solvent and Thermal Annealing. Biomacromolecules 2014, 15, (7), 2607–2615. DOI: 10.1021/bm500704e
dc.subject.other Chemistry en
dc.subject.other Medical sciences en
dc.subject.other Physics en
dc.title Self-assembly of Block and Graft Copolymers in Aerosol Nanoparticles en
dc.title Lohko- ja oksastettujen polymeerien itsejärjestyminen aerosolinanohiukkasissa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword aerosol en
dc.subject.keyword block copolymer en
dc.subject.keyword self-assembly en
dc.subject.keyword nanoparticle en
dc.subject.keyword drug release en
dc.subject.keyword aerosoli fi
dc.subject.keyword lohkopolymeeri fi
dc.subject.keyword itsejärjestyminen fi
dc.subject.keyword nanohiukkanen fi
dc.subject.keyword lääkkeenvapautus fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-6312-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kauppinen, Esko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Chiba, Kazuhiro, Prof., Tokyo University of Agriculture and Technology, Japan
dc.contributor.lab NanoMaterials Group en
dc.rev Schlaad, Helmut, Prof., University of Potsdam, Germany
dc.rev Lähde, Anna, Dr., University of Eastern Finland, Finland
dc.date.defence 2015-08-14


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account