Towards a Rational Design of Microcapsules - Mechanical Properties of the Shell -

Die vorliegende Arbeit stellt neue Strategien zum systematischen Design von Mikrokapseln vor, welche von fundamentalem Interesse für die Kolloid- und Grenzflächenforschung als auch für die industrielle Herstellung sind. Gegenstand der Arbeit sind künstliche polymere Mikrokapseln, die eine breite Anwendung in der gezielten Pharmakotherapie, der kontrastmittel-unterstützten Bildgebung, der Verkapselung von Aroma- und Parfümstoffen, Latentwärmespeichern und Funktionsmaterialen finden. Die Frage nach einem rationalen Design von Mikrokapseln entsteht vor allem beim Erschließen neuer Anwendungsfelder, beim Anpassen von Aufskalierungsprozessen oder beim Optimieren makroskopischer Eigenschaften. Die mechanischen Eigenschaften von Mikrokapseln sind zentrales Thema dieser Arbeit, weil sie eine Schlüsselrolle hinsichtlich der mechanischen Stabilität, der Freisetzung, der Haltbarkeit, und des Deformations- und Adhäsionsverhaltens einer Mikrokapsel einnehmen. Aus diesem Grund sind mechanische Eigenschaften extrem wichtig für das makroskopische Verhalten von Mikrokapseln während ihrer Anwendung. Die gezielte Anpassung der Schalenmechanik zählt deshalb auch zu den aktuellen Herausforderungen wenn mikrokapsel-basierter Produkte neu hergestellt oder optimiert werden. Ein genaues Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen stellt eine grundlegende Anforderung dar, um mechanische Eigenschaften von Mikrokapseln systematisch anzupassen. Im Fokus stehen hier Parameter, wie zum Beispiel die Partikelgeometrie, die Wanddicke, das Schalenmaterial, und das verkapselten Materials. Diese Arbeit widmet sich der schrittweisen Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Mikrokapseln auf einfache und reproduzierbare Art und Weise. Eine der Hauptfragen, die mit Hilfe dieser Charakterisierungs-Strategie beantwortet werden kann, ist wie der Herstellungsprozess die Eigenschaften der Kapselschale und somit das mechanische und makroskopische Verhalten beeinflusst. Realisiert wird dies durch Analyse-Techniken, die eine Charakterisierung auf der Einzelpartikel-Ebene zulassen wie zum Beispiel optische Mikroskopie,Transmissions-Elektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie. Obwohl Einzelpartikel-Messungen keine hohen Durchsätze erlauben, so ermöglichen diese überhaupt erst eine Korrelation der morphologischen und mechanischen Eigenschaften. Außerdem ist eine direkte Bestimmung kritischer Parameter mit einer ausreichend hohen Auflösung im Nano- und Mikrometer-Bereich möglich, inklusive einer präzisen Angabe der Dispersität. Ein Brückenschlag zur Anwendung wird schließlich durch eine Korrelation der Ergebnisse mit den makroskopischen Eigenschaften erreicht. Die Art des makroskopischen Tests hängt von der Art der Anwendung ab und kann zertifizierte Qualitätstests als auch empirische Panel Tests umfassen. Durch das vorgestellte Charakterisierungskonzept können Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufgeklärt werden und eine Brücke zwischen der Herstellungsweise und der makroskopischen Funktion geschlagen werden. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene polymere Mikrokapselsysteme untersucht: 1) Gas-gefüllte Mikrobläschen mit einer Schale aus Polyvinylalkohol, die theragnostische Anwendungen im Bereich kontrastverstärkter Ultraschall und Pharmakotherapie ermöglichen sollen. 2) Magnetische Mikrobläschen mit einer Schale aus Polyvinylalkohol und superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln, die als Hybrid Kontrast-Mittel für kombinierte Ultraschall- und Magnetresonanz-tomographie zum Einsatz kommen. 3) Aminoplast (Melamin Formaldehyd) Mikrokapseln, die industriell für die Verkapselung von Parfümstoffen eingesetzt werden. Zusammenfassend stellt diese Arbeit ein reproduzierbares und breit-anwendbares Charakterisierungskonzept vor, mit dem Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Mikrokapseln analysiert werden können. Das vorgestellte Konzept ist wertvoll für ein rationales Design von Mikrokapseln sowie für deren nachhaltige Optimierung. Dies konnte anhand der erfolgreichen Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in drei Mikrokapselsystemen gezeigt werden. Die vorgestellte Methode besitzt großes Potential für die gezielte Anpassung mechanischer Eigenschaften für eine Vielzahl von Kapselsysteme.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2014

Author dc:creator

• Pöhlmann, Melanie

Contributors dc:contributor

• Fery, Andreas

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/2054/

OAI identifier oai:identifier

oai:epub.uni-bayreuth.de:2054