Application and Development of Mechanoresponsive Polymer Structures

Mechanoresponsive Systeme antworten auf mechanische Reize mit einer Eigenschaftsänderung. Diese Dissertation umfasst die Arbeiten mit zwei mechanoresponsiven Systemen, die optisch auf mechanische Reize antworten. Sie basieren auf polymeren Strukturen, einer Polymerbürste und einem Hydrogelnetzwerk. Ihr optischer Antwortmechanismus ermöglicht die Beobachtung wirkender Kräfte als ein Ansatz zur in situ-Kraftmessung. Im ersten Teil wird ein existierendes, mechanoresponsives System zur Anwendung gebracht, das auf einer mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Polyelektrolytbürste basiert. Die Ladungen des Polyelektrolyts können die Fluoreszenz des Farbstoffs unterdrücken, sodass lokale Kompression und Zugspannung über die Fluoreszenzintensität unterschieden werden können. Die mechanoresponsive Polymerbürste wurde als mechanosensitive Oberflächenbeschichtung angewandt, um Unterschiede in der Kontaktspannungsverteilung von Gecko-inspirierten adhäsiven Mikrostempelstrukturen aufzuklären. Die erarbeiteten Ergebnisse und daraus abgeleiteten Ablösemechanismen der Mikrostempeltypen deckten sich qualitativ mit Vorhersagen aus theoretischen Ansätzen. Aufgrund geometrischer Einschränkungen einer planaren Oberflächenbeschichtung zielt der zweite Teil darauf ab, dieses mechanoresponsive Prinzip in ein dreidimensionales Netzwerk zu überführen und ein mechanoresponsives Hydrogelnetzwerk als Plattform zur Kraftmessung zu entwickeln. Konzeptionell besitzt ein homogenes Netzwerk vorhersagbare mechanische Eigenschaften, sodass lokale optische Antworten auf mechanische Kräfte ermöglichen könnten, die wirkenden Kräfte zu lokalisieren und quantifizieren. Basierend auf einer Gestaltung nach der Flory-Rehner-Theorie wurden Präkursoren mit vordefinierter Größe und Architektur für die Hydrogelherstellung eingesetzt, um auf ein homogenes Netzwerk abzuzielen. Zu diesem Zweck wurde das Mischungsvolumen durch Tropfenmikrofluidik reduziert. Für den optischen Antwortmechanismus wurden die Hydrogelnetzwerk-Präkursoren mit zwei verschiedenen Fluorophoren markiert, die sich durch abstandsabhängige Emission über Förster-Resonanzenergietransfer auszeichnen. Die Funktionalität des optischen Antwortmechanismus wurde auf globaler Ebene durch Kollabieren und kontrolliertes Quellen des Netzwerks, dann auf lokalisierter Ebene durch definierte mechanische Belastung mit Rasterkraftmikroskopie gezeigt. Durch ihre Anpassbarkeit könnte die Hydrogelplattform zukünftig verschiedenste Anwendungen im Bereich intrisischer Kraftmessung weicher Materie bedienen.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Technische Universität Dresden

Year

2020

Author dc:creator

• Neubauer, Jens W.

Contributors dc:contributor

• Fery, Andreas
• Eychmüller, Alexander

• mechanoresponsiv
• Polyelektrolytbürste
• Hydrogel
• AFM
• Fluoreszenz
• FRET
• mechanoresponsive
• polyelectrolyte brush
• fluorescence