Gast-Partikel in mikroskaligen, dreidimensionalen Wirts-Partikeln: Herstellung durch Nanoimprintlithographie und ihre Charakterisierung

Die Verwendung von Partikeln spielt in vielen alltäglichen Bereichen eine essenzielle Rolle und ist daher im Laufe dieses Jahrhunderts immer mehr in den Fokus der Forschung gerückt. Aktuelle Forschungsarbeiten belegen, dass die Größe und Form der Partikel Einfluss auf verschiedene Anwendungen haben. Ein Beispiel ist die Verwendung als Medikamententräger. Forschungen zeigen, dass ellipsoide Partikel langsamer als sphärische Partikel von Makrophagen internalisiert werden und den Transport von Medikamenten innerhalb des Körpers verbessern. Durch ellipsoide Partikel ist daher eine zeitlich verzögerte Freigabe von Medikamenten am Zielort realisierbar. Auch Anwendungen wie Biomarker und Transport von Biomolekülen sind forschungsrelevant und benötigen spezifisch geformte Partikel. Aber um das volle Potential der spezifisch geformten Partikel ausschöpfen zu können, ist die Herstellung von Partikeln mit funktionellen Eigenschaften der nächste Schritt. Sogenannte funktionelle Partikel besitzen charakteristische Eigenschaften wie beispielsweise Fluoreszenz oder Magnetismus, die verwendet werden können, um Partikel zur Biomarkierung zu benutzen oder um Partikel durch ein Magnetfeld zu transportieren. In der Regel erhalten die Partikel ihre Funktionalität durch das Polymer selbst, aus dem sie bestehen. Im Idealfall sollen aber die Partikel verschiedene Aufgaben gleichzeitig erfüllen, was mehr als eine funktionelle Eigenschaft voraussetzt. Die Herstellung von Polymerpartikeln mit mehreren funktionellen Eigenschaften und einer spezifischen Form ist herausfordernd, da in der Regel zwei oder mehr Materialien verwendet werden müssen. Eine potenzielle Herstellungsmethode für diese Partikel, ist die Lithographie. Diese top-down Herstellungsmethode besitzt den Vorteil, dass diese im Gegensatz zu bottom-up Methoden eine uniforme Partikelgröße realisieren kann. Das Problem ist aber, dass die Herstellung von Partikeln mit einer Reihe von Apparaturen verbunden ist, die eine hohe Investitionshürde darstellen. Dies gilt vor allem für die Herstellung von multifunktionalen 3D-Partikeln. Aus diesem Grund sind auf dem Gebiet der multifunktionalen Partikel relativ wenige Arbeiten vorhanden. Um diesen Sachverhalt zu lösen, beschäftigt sich diese Dissertation mit der Herstellung von 3D-Hybridstrukturen, welche durch die Inkorporation von Nanopartikeln funktionalisiert wurden. Diese Nanopartikel (Gast-Partikel) wurden in eine polymere Matrix (Wirt-Polymer) als Gast-Wirt-System integriert. Mit Hilfe eines optimierten reversal Nanoimprintlithographie-Verfahrens wurden spezifisch geformte Gast-Wirt-Partikel hergestellt. Die für die Inkorporation relevanten Parameter wurden zuerst an einem System aus Europium(III)oxid Gast-Partikel und dem Wirt-Polymer AMONIL identifiziert und ihr Einfluss auf die Verteilung und Restschichtdicke beurteilt. Durch die Optimierung des Herstellungsverfahrens gelang es die Restschichtentfernung durch einen kostspieligen Trockenätzprozess zu vermeiden. Diese verringerte Komplexität des Prozesses ermöglicht eine kosteneffizientere und einfach zu adaptierende Herstellung von funktionellen Gast-Wirt-Partikeln. Durch spektroskopische Untersuchungen im sichtbaren- und UV-Bereich wurden die fluoreszierenden Eigenschaften von Eu2O3-Gast-Partikeln innerhalb des Wirt-Polymers AMONIL nachgewiesen. Die paramagnetischen Eigenschaften wurden durch Vibrationsmagnetometrie untersucht. Unter Anpassung der relevanten Herstellungsparameter (Schleudergeschwindigkeit, Füllzeit und Konzentration an Gast-Partikeln) sind Fe3O4-Gast-Partikel in polymere Dreiecksformen hergestellt und deren Transporteigenschaften mit gezielt strukturierten Domänen untersucht worden. Zuletzt wurde ein Europium-Komplex in zwiebelförmige 3D Nanoimprintpartikel inkorporiert und fluoreszierende Eigenschaften nachgewiesen. Das in dieser Dissertation entwickelte Herstellungsverfahren basiert auf dem reversal NIL-Verfahrens und erfüllt die Kriterien für einen simplen, kosteneffizienten und materialtechnisch flexiblen Prozess zur Herstellung von funktionellen Partikeln mit spezifischer Form. Basierend auf dieser Arbeit ist es möglich, eine breite Forschung auf dem Gebiet der spezifisch geformten, multifunktionalen Partikel zu beginnen.