Microfluidic Synthesis and Assembly of Multi-Scale Polymer Composite Particles Towards Sensoric and Labeling Applications

Visaveliya, Nikunjkumar

Polymer Nano- und Mikropartikel unterschiedlicher Größe, Form und Zusammensetzung sind in verschiedenen Bereichen wie Biomedizin und Nanotechnologie von großem Interesse. Eine der größten Herausforderungen bei der Synthese von Mehrkomponentenpartikeln sind die Reproduzierbarkeit und Monodispersität der Partikel mit gut definierten Oberflächen- und physikochemischen Eigenschaften in einer minimalen Anzahl von Prozeßschritten. Die erfolgreiche Umsetzung dieser Kriterien für Mehrskalenpolymerpartikel für sensorische und markierende Anwendungen wird in dieser Arbeit vorgestellt.Zur Erzeugung von Polymerpartikeln im Nanometerbereich wurde eine mikrofluidische T-Struktur aus Polyetheretherketon (PEEK) mit verschieden strukturierten Siliziumelementen eingesetzt. Mit diesem Aufbau wurden sphärische, elliptische, hantelförmige, kettenförmige, blumenartige und verzweigte Polymerpartikel sowie verschiedene Fluoreszenzpartikel definierter Größen hergestellt. Weiterhin wurden homogene und heterogene Nanoassemblies durch Einstellung entgegengesetzter Oberflächenladungen generiert. Für Polymerpartikel im Mikrometerbereich wurden die Siliziumelemente im mikrofluidischen Aufbau oberflächenmodifiziert, um größenkontrolliert hydrophobe und hydrophile Mikrogelpartikel für Fluoreszenzmarkierungen und SERS-Anwendungen herzustellen. Die erzeugten SERS-Sensorpartikel konnten erfolgreich in einem Mikrodurchfluss-Ramanmesssystem eingesetzt werden. Eine Mehrfachverwendung der Sensorpartikel wurde durch Waschschritte ermöglicht.Die erhaltenen Polymerpartikel wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM), dynamischer Lichtstreuung (DLS), Zetapotenzialbestimmung, Fluoreszenzmikroskopie, Fluoreszenz-Spektroskopie, oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) sowie UV/VIS-Spektroskopie charakterisiert.

Polymer nano- and microparticles of various size, shape and composition have attracted ubiquitous attentions in various fields such as biomedical science and nanotechnology. A key challenge in the synthesis of multicomponent particles for various applications is the production of particles with reproducibility and monodispersity in a minimum number of preparation steps, and also with well-defined surface and physicochemical properties. To progress in such criteria with successful achievements, the presented work reports the multi scale polymer particles for sensoric and labeling applications.For the production of polymer particles in the nanometer range, micro lithographically prepared microfluidic reactor of T-shape was used with different silicon structured embedded microchips. By using this microfluidic arrangement, spherical, elliptical, dumbbell-shaped, chain-like, flower-like and branch-shaped polymer nanoparticles as well as various types of fluorescent nanoparticles of defined sizes were prepared. Furthermore, homogeneous as well as heterogeneous nanoassembly particles were generated by adjusting the opposite surface charges of the individual components. On other side, for the polymer particles in the micrometer range, the silicon microchips were surface-modified and functionalized in the microfluidic setup to produce the hydrophobic and hydrophilic microgel particles of controlled sizes for fluorescent labeling and surface-enhanced Raman scattering (SERS) applications. The generated SERS active sensor particles could be successfully used in a micro flow-Raman measurement system. A multiple use of sensor particles was made possible by alternative rinsing procedure with acid solution in the continuous flow.The obtained polymer particles were characterized by scanning electron microscopy (SEM), dynamic light scattering (DLS), zeta potential measurement, fluorescence microscopy, fluorescence spectroscopy, surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and UV/VIS spectroscopy.

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Visaveliya, Nikunjkumar: Microfluidic Synthesis and Assembly of Multi-Scale Polymer Composite Particles Towards Sensoric and Labeling Applications. 2015.

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