Oberflächenfunktionalisierung oxidischer Nanostrukturen fu¨r technische und pharmazeutische Anwendungen

Oxidische Nanostrukturen entwickeln sich zunehmend zu einer Schlu¨sselkomponente fu¨r die Herstellung innovativer und leistungsfähiger Funktionsmaterialien. Durch die gezielte Kombination mit nieder- oder makromolekularen organischen Strukturen können unterschiedliche technische sowie pharmazeutische Anwendungen realisiert werden. Neben der Herstellung von Nanokompositen, bei denen die Nanomaterialien in einem Polymer zur Verbesserung diverser Materialeigenschaften eingebettet werden, können die nanoskaligen Strukturen auch als Wirkstoffträgersysteme zur Erhöhung der Wirksamkeit therapeutischer Maßnahmen eingesetzt werden. Die Erzeugung solcher Mehrkomponentensysteme (MKS) erfordert jedoch eine gezielte Einstellung der Grenzflächenwechselwirkungen zwischen den Nanomaterialien und dem sie umgebenden System bzw. Medium. Da diese maßgeblich von der Oberflächenchemie der Nanostrukturen bestimmt werden, sind Ansätze erforderlich, die eine variable und kontrollierte Anpassung ermöglichen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Organosilan-basierte Funktionalisierungsstrategien zur Maßschneiderung von kommerziellen und selbst synthetisierten oxidischen Nanostrukturen fu¨r die Herstellung funktioneller MKS entwickelt. Zunächst wurde der Einfluss der Partikeloberfläche auf die Herstellung von Nanokompositen untersucht. Hierfu¨r wurden Böhmitnanopartikel (BNP) und dielektrische Bariumtitanatnanopartikel (BTONP) unter Verwendung der Organosilane (3-Aminopropyl)triethoxysilan und 3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylat (TMSPM) in Abhängigkeit unterschiedlicher Einflussfaktoren modifiziert und Prozess-Struktur-Eigenschafts-Korrelationen erarbeitet. Während die BNP in einem zweiten Schritt u¨ber die Kopplung verschiedener Carbonsäuren variabel modifiziert wurden, erfolgte eine kontrollierte Anpassung der Oberflächenchemie der BTONP durch unterschiedlich realisierte TMSPM-Belegungsdichten. Dabei wurden die Auswirkungen der Modifizierung auf die verarbeitungsrelevanten sowie die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften des Nanokomposits untersucht. Anschließend wurden die zuvor gewonnenen Erkenntnisse der Funktionalisierung auf zwei Trägersysteme (Siliziumdioxid-basierte Aerogele und superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel) fu¨r pharmazeutische Anwendungen u¨bertragen. Dabei wurde der Einfluss der Silanisierung auf die physikochemischen Eigenschaften beider Systeme sowie auf die Erhöhung der therapeutischen Wirksamkeit nach physisorbierter bzw. chemisorbierter Beladung mit nieder- bzw. makromolekularen Wirkstoffen in vitro bewertet. Um die wesentlichen physikalischen und chemischen Zusammenhänge zwischen der eingesetzten Funktionalisierungsstrategie und den Eigenschaften der MKS zu erarbeiten, wurden umfassende Charakterisierungen der verschiedenen Materialsysteme entlang der Prozesskette durchgefu¨hrt und folglich u¨bergeordnet diskutiert. Anhand dessen wurden grundsätzliche Strategien zur Erzeugung funktionaler MKS mit maßgeschneiderten Eigenschaften abgeleitet. Oxide nanostructures are increasingly becoming a key component for the production of innovative and high-performance functional materials. Various technical as well as pharmaceutical applications can be realized through the targeted combination with low- or macromolecular organic structures. In addition to the production of nanocomposites, in which the nanomaterials are embedded in a polymer to improve various material properties, the nanoscale structures can also be used as drug delivery systems to increase the effectiveness of therapeutic measures. However, the preparation of such multicomponent systems (MCS) requires a defined tuning of the interfacial interactions between the nanomaterials and the surrounding system or medium. Since the interaction are dominated by the surface chemistry of the nanostructures, approaches are required that allow a variable and controlled adjustment of the surface chemistry. In this dissertation, organosilane-based functionalization strategies were developed to tailor commercial and self-synthesized oxide nanostructures for the preparation of functional MCS. First, the influence of the particle surface on the preparation of nanocomposites was investigated. For this purpose, boehmite nanoparticles (BNP) and dielectric barium titanate nanoparticles (BTONP) were modified using the organofunctional silanes (3- aminopropyl)triethoxysilane and 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate (TMSPM). Therefore, different influencing factors were evaluated and process-structure-property correlations derived. Whilst the surface of the BNP was variably modified in a second step by coupling various carboxylic acids, a controlled adjustment of the surface chemistry of the BTONPs was carried out by altering the TMSPM grafting density. The effects of the modification on the processing as well as on the mechanical and dielectric properties of the nanocomposite were examined. Subsequently, the previously obtained knowledge on functionalization was applied to silica-based aerogels (SA) and superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) as two different drug delivery systems for pharmaceutical applications. Here, the influence of silanization on the physicochemical properties of both systems was investigated. Furthermore, the enhancement of therapeutic efficacy after physisorbed or chemisorbed loading of small- or macromolecular drugs was evaluated in vitro. To elaborate the essential physical and chemical correlations between the functionalization process and the properties of the particle surface as well as of the MCS, comprehensive characterization of the different material systems along the process chain was performed and consequently discussed. Finally, strategies for the preparation of homogeneous and functional MCS with tailored properties were derived.