Synthesis and characterization of amine-functionalized microgel particles and their subsequent assembly into colloidal molecule-like clusters by droplet-based microfluidics

Abstract

The ability of thermoresponsive, amine-functionalized microgel particles to take part in microgelmicrogel inter-cross-linking has previously been reported in the literature, in connection to applications such as for example the formation of stimuli-responsive colloidal gels and colloidosomes [1]. This thesis deals with the synthesis of such thermoresponsive, cross-linkable microgels and their subsequent assembly into clusters using droplet-based microfluidics, with the goal of forming
responsive colloidal molecules with well-defined valency. Such colloidal molecules can be used as model systems to study controlled self-assembly processes.

In this project, monodisperse amine-functionalized poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and poly(N-isopropylmethacrylamide) (PNIPMAM) microgels, cross-linkable with glutaraldehyde, were synthesized. In total, four microgel systems were produced and the microgels were subsequently characterized by dynamic and static light scattering (DLS and SLS), confocal laser scanning microscopy (CLSM) and electrophoretic mobility. The microgels were shown to exhibit thermoresponsive behavior with respect to size, charge density and interaction potential. In the presence of glutaraldehyde, dense microgel suspensions were converted to macrogels through microgel-microgel cross-linking. Upon heating the macrogels to above the microgels’ volume phase transition temperature (VPTT), they contracted, thus showing that the thermoresponsive behavior of the microgels was conferred to the macrogels. The obtained microgel systems were then used in droplet-based microfluidics to generate colloidal molecule-like clusters. However, the presence of clusters could not be confirmed, likely due to problems with extraction.

[1] a) G. Huang, J. Gao, Z. Hu, J. V. St. John, B. C. Ponder and D. Moro. Controlled Drug Release from Hydrogel Nanoparticle Networks. J. Control. Release, 94:303-311, 2004. b) G. Huang and Z. Hu. Phase Behavior and Stabilization of Microgel Arrays. Macromol., 40:3749-3756, 2007. c) R. K. Shah, J.-W. Kim and D. A. Weitz. Monodisperse Stimuli-Responsive Colloidosomes by Self-Assembly of Microgels in Droplets. Langmuir, 26:1561-1565, 2010.

Popular Abstract (Swedish)

Kolloider är partiklar i storleksordningen nm till μm. De är viktiga i biologiska system, där exempelvis proteiner är en typ av kolloid. Att studera kolloider ger oss därför insikt i hur till exempel proteiner byggs upp och interagerar. I detta fall försökte vi tillverka kolloidala molekyler, alltså kolloider som interagerar med varandra genom ett specifikt antal bindningar i väl definierade positioner och riktningar. För att skapa kolloidala molekyler användes mikrogeler som sammansattes till kluster, där antalet bindningar och dess riktning bestäms av antalet mikrogeler och dess position. Mikrogeler är kolloidala partiklar med temperaturberoende egenskaper. Under en viss kritisk temperatur är mikrogelerna stora och vattenälskande och på grund av detta absorberar de vatten. Över den kritiska temperaturen skyr mikrogelerna vatten och krymper ihop. Ändring i temperatur påverkar inte enbart mikrogelernas storlek utan också hur de interagerar
med varandra; över den kritiska temperaturen tycker mikrogelerna om att interagera med varandra. Kolloidala molekyler som tillverkas av mikrogeler får mikrogelernas temperaturberoende egenskaper och således kan klustrens egenskaper också styras genom temperaturen.

För att kunna skapa kluster av mikrogeler behöver mikrogelerna tillverkas så att möjlighet finns att binda ihop dem med varandra. Mikrogelerna tillverkades därför med amingrupper som fungerar som brofästen. Glutaraldehyd fäster vid amingrupperna och kunde då användas som
bro mellan två mikrogeler. För att få mikrogelerna att komma tillräckligt nära varandra, både för att bilda kluster och för att bygga broar mellan dem, så bildade vi vattendroppar innehållande både mikrogeler och glutaraldehyd. Mikrogelerna tvingades närmare varandra i vattendropparna genom att dropparna krymptes. Klustren som bildas antar olika form beroende på hur många mikrogeler som deltar.

Fyra olika mikrogeler tillverkades från två olika temperaturkänsliga polymerer, det vill säga långa kedjor av upprepade mindre enheter, och färgades med fluorescerande molekyler. Vi har kunnat visa att mikrogelerna kan bindas ihop genom att låta dem bilda tvärbundna nätverk, geler, från lösningar. Kluster av mikrogeler har inte kunnat isoleras efter droppkrympning, men detta är något som vi hoppas kunna göra i framtiden.

• author: Gustafsson, Emil
• supervisor: Peter Schurtenberger; Linda Månsson; Feifei Peng
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMK07 20152
• year: 2015
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Chemistry
• keywords: Physical chemistry, fysikalisk kemi
• language: English
• id: 7851914
• date added to LUP: 2015-09-16 08:01:52
• date last changed: 2015-09-16 08:01:52