In dilute aqueous solution poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAM, chain undergoes a coil-to-globule transition at its lower critical solution temperature, LCST, of ca. 32 °C. PNIPAM is one of the most studied polymers for instance for temperature controlled drug release systems, because its LCST is so close to body temperature. However, applicability of PNIPAM as gel-actuators or as active surfaces depends on the self-assembling microstructures and their physical properties. In this study several types of polymers based on PNIPAM (linear, microgels, macrogels, core-shell particles) were prepared and characterised with several methods.
The first part of the research focused in developing a temperature controlled release system for a drug, isobutylmethylxanthine (IBMX), based on a PNIPAM system with tailored properties. It is concluded, that the prepared macroscopic PNIPAM -copolymer gels, with properties adjusted chemically by adding the aromatic esters groups (benzoates and cinnamates) to the structures, exhibited higher IBMX binding capacity than the unmodified PNIPAM gel in pure water above the LCST. The release rates of IBMX from the gels are slowed down by the aromatic moieties in the polymer network. The binding of IBMX to the polymers is concluded to be due to both the specific complex formation between aromatic moieties and IBMX, and to hydrophobic interactions inside the hydrophobically modified PNIPAM.
In the second part of the research the structures of PNIPAM microgels synthesised with different concentrations of surfactant (SDS) and crosslinking monomer (MBA). Also PNIPAM microgels as shells on PS particles were studied. With high SDS concentrations during microgel synthesis, the precipitation of PNIPAM is prevented, and consequently tightly packed PNIPAM particle cores are not formed. In other words more homogeneously structured PNIPAM microgels are resulting. The concentration of MBA does not affect to the structure as dramatically as SDS, but the effect is clearly observed. Increasing hydrodynamic radius above the cloud point is observed with the increasing MBA concentration. This owes to the increasing size of the tightly crosslinked and rigid particle core. It is concluded that due to a relatively more rigid structure of the microgel at higher crosslinker concentrations, the volume phase transition broadens, and it is pushed towards higher temperatures. The enthalpy of transition is concluded to decrease with increased crosslinking density.
Phase transitions and structural characteristics of microgels were further studied with 1H-NMR spectroscopy including the measurements of the signal intensities as well as the spin-lattice (T1) and spin-spin (T2) relaxation times for the protons of PNIPAM with changing temperature. When analysing the relaxation times, the broad temperature range of study is divided in two parts, to cases above and below the LCST. When the suggested significant structural changes with the MBA concentration, and especially with the SDS concentration are taken into account, the results can be rationalised. In the homogeneous microgel structure also the charges should be more evenly distributed compared to the corresponding heterogeneous microgel structure with highly charged surface and insoluble core. As the zeta potentials are also suggesting, the negatively charged coronal layers (with high local LCST) in the heterogeneous microgels are likely to contribute to the proton signals well above the LCST.
According to the relaxation times from NMR-studies, it is concluded that there is more mobile structures of PNIPAM on PS core particles compared to the heterogenous microgel samples (a looser and/or more heterogeneous network structure). The results also show, that PNIPAM microgel shell on PS core inhibited the polymer-cell contact by steric repulsion similarly to PEO grafts, whereas PVCL coated PS was adsorbed on the cells more strongly, especially above the LCST. This result with a PNIPAM shell in the cell interaction study is in correlation with the observed high T2 values referring to mobile components existing in 2-stage particle samples still above LCST, and supports the idea of local high LCSTs of coronal PNIPAM layers in the outermost parts.Laimeissa vesiliuoksissaan poly(N-isopropyyliakryyliamidilla), PNIPAM, on lämpöherkkä eli siilä on alempi kriittinen liukoisuuslämpötila noin 32 °C:ssa (LCST). PNIPAM on yksi tutkituimmista polymeereistä mm. kontrolloituihin lääkevapautusjärjestelmiin, koska kriittinen lämpötila on lähellä ihmiskehon normaalia lämpötilaa. Tämän polymeerin hyödynnettävyys sovelluksissa on riippuvainen polymeeriketjujen itsejärjestymisestä ja ympäristön fysikaalisista muuttujista. Tässa tutkimuksessa on valmistettu ja tutkittu erilaisia PNIPAM-rakenteita (lineaarisia polymeerejä, mikrogeelejä, makrogeelejä ja ydin-kuori-partikkeleita).
Aluksi tutkittiin isobutyylimetyyliksantiinin (IBMX) hallittua vapauttamista PNIPAM:n makrogeeleistä, joita oli kemiallisesti muokattu lisäämällä rekenteeseen aromaattisia esteriryhmiä (benzoaattia ja kanelihaponesteriä). Aromaattisten estereiden lisääminen rakenteeseen näytti kriittisen liukoisuuslämpötilan yläpuolella lisäävän lääkeaineen sitoutumista makrogeeliin vedestä. Kemiallisesti muokatut makrogeelit myös vapauttivat hitaammin lääkeainetta veteen. Havaintoja voidaan selittää muokattujen geelien suuremmalla hydrofobisella ja molekulaarisella vuorovaikutuksella IBMX molekyylien kanssa.
Tutkimuksen seuraavassa vaiheessa pallomaisia PNIPAM mikrogeelejä valmistettiin erilaisissa synteesiolosuhteissa, verkkouttajamonomeerin ja surfaktantin pitoisuutta muuttamalla. Lisäksi valmistettiin polystyreenipartikkeleihin PNIPAM:ista geelikuoria. Erilaisten mikrogeelipartikkelien vesidispersioista tutkittiin mm. partikkelikokoa ja partikkelien pintavarausta. Mikrogeelien faasikäyttäytymistä ja termodynaamisia parametrejä tutkittiin mikrokalorimetrisesti. 1H-NMR spekroskopiaa ja protonien relaksaatiomittauksia hyödynnettiin myös mikrogeelirakenteiden ja faasikäyttymisen tutkimuksessa. Fluoresenssileimattuja polystyreeni-PNIPAM-partikkeleja tutkittiin PNIPAM-kuoren soluvuorovaikutusten osalta LCST:n ylä- ja alapuolella.
Surfaktantin pitoisuudella PNIPAM mikrogeelisynteesissä voidaan vaikuttaa merkittävästi syntyvän partikkelin rakenteeseen. Alhaisilla surfaktanttiptoisuuksilla mikrogeeleillä havaitaan liukenematon ja tiheästu pakkautunut ydinosa eli heterogeeninen, ydin-kuorityyppinen rakenne. Korkeilla surfaktanttipitoisuuksilla mikrogeelirakenne muuttuu liukoiseksi ja rakenteellisesti homogeeniseksi eli tiheästä pakkautunut ydinosa häviää. Korkea verkkouttajamonomeerin määrä mikrogeelisynteesissä lisää rakenteellista jäykkyyttä, sekä siirtää mikrogeelin lämpötilakutistumista hivenen korkeammille lämpötiloille. Tyypillisellä PNIPAM-mikrogeelillä vesiympäristössä vaikuttaisi olevan heterogeeninen, kiinteä ydin- geelikuori-tyyppinen rakenne ja uloimpana vielä negatiivisesti varautunut corona-kerros. Tämä negatiivisesti varautunut ja liukoinen partikkelin pintakerros voi estää esim. PNIPAM:n adsorboitumisen solujen pinnalle odotetuin hydrofobisin vuorovaikutuksin vielä PNIPAM:n kriittistä liukoisuuslämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa
