Design and applications of anisotropic magnetic hybrid microgels

Braunmiller, Dominik Lukas; De Laporte, Laura; Crassous, Jérôme Joseph Emile

doi:10.18154/RWTH-2025-03894

Design and applications of anisotropic magnetic hybrid microgels

Braunmiller, Dominik Lukas^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dominik Lukas Braunmiller, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Crassous, Jérôme Joseph Emile (Thesis advisor)^RWTH* ; De Laporte, Laura (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03894
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010161/files/1010161.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
microgel (frei) ; microscopy (frei) ; nanoparticle (frei) ; scattering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Magnetische Nanopartikel (MNP) werden ausgiebig erforscht und in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter in der Biomedizin, der Sensorik und der Materialwissenschaft. In einigen Fällen werden weiche Materialien gegenüber starren Partikeln bevorzugt, was zu einem gesteigerten Interesse nach magnetischen Materialien wie magnetischen Kompositmikrogelen (MMGs) führt. Diese Arbeit erforscht die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von MMGs mit verschiedenen Größen, Formen und Zusammensetzungen durch die Verwendung von ellipsoiden MNPs als Grundlage für die Entwicklung spezifischer magnetischer Eigenschaften in unterschiedlichen Mikrogele. Der erste Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der Synthese von kleinen anisotropen MMGs. Diese Mikrogele weisen einen einzelnen MNP-Kern auf, der von einer thermoresponsiven Mikrogel-Hülle umgeben ist. Die Strukturen weisen kontrollierbare dipolare Wechselwirkungen und anisotrope Eigenschaften auf, was sie zu idealen Tracern in dichten Mikrogelsystemen macht. Die Verwendung dieser MMGs zur Untersuchung des komplexen Phasenverhaltens liefert wertvolle Einblicke in die Beziehung zwischen Mikrogelgrößen, Konzentration und dynamischem Phasenverhalten. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung stäbchenförmiger MMGs als programmierbare Bausteine für Tissue-Engineering-Anwendungen. Mithilfe der PRINT-Technik werden stäbchenförmige MMGs mit einstellbaren magnetischen Eigenschaften hergestellt, indem MNPs während der Synthese vorausgerichtet eingebaut werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Kontrolle des magnetischen Verhaltens und damit die Entwicklung von multidirektionalen Gerüsten, die das zielgerichtetes Zellwachstum fördert. Dies positioniert vorprogrammierte MMGs als vielversprechende Materialien für fortschrittliche Tissue-Engineering-Anwendungen wie Wundheilung und Medikamententestplattformen. Abschließend wurden größere MMGs auf ihre potenzielle Rolle als Mikroaktuatoren in aktiven mikrofluidischen Geräten untersucht. Die Herstellung komplex geformter MMGs erfolgt mittels Stop-Flow-Lithographie in Kombination mit einem Magnetfeld, was die Produktion komplexer 3D-Formen mit einer präzisen Vorausrichtung der Nanopartikel ermöglicht. Diese MMGs weisen starke magnetische Eigenschaften auf, wodurch sie sich für Aktuatoranwendungen eignen.

Magnetic nanoparticles (MNPs) are extensively researched and utilized in various applications, including biomedicine, sensors, and materials science. In some cases, there is a preference for soft materials over rigid particles, leading to an increased interest in magnetic soft matter materials, such as magnetic hybrid microgels (MMGs). This thesis explores the preparation, characterization, and applications of MMGs with different sizes, shapes, and compositions by using ellipsoidal maghemite MNPs as the foundation for incorporating specific magnetic properties into microgels. The first focus is on the synthesis of small anisotropic MMGs utilizing a precipitation polymerization method. These microgels feature a single MNP core surrounded by a thermoresponsive microgel shell. The nanoscale structures exhibit tunable dipolar interactions and anisotropic properties, making them ideal tracers in dense microgel systems. By utilizing these MMGs to investigate complex phase behaviors and dynamics, the findings provide valuable insights into the relationship between microgel dimensions, softness, and dynamic phase behavior. Additionally, emphasis is placed on the development of rod-shaped MMGs as pre-programmable building blocks for tissue engineering applications. Using the PRINT technique, rod-shaped MMGs are created with adjustable magnetic properties by incorporating and pre-aligning MNPs during synthesis. This approach allows for precise control over magnetic behavior, enabling the design of multi-directional scaffolds that guide cell growth. This positions pre-programmed rod-shaped MMGs as promising materials for advanced tissue engineering applications, such as wound healing, regenerative medicine, and drug testing platforms. Finally, the exploration of larger MMGs focuses on their potential role as microactuators in active microfluidic devices. The fabrication of complex-shaped MMGs is achieved using stop-flow lithography in combination with a magnetic field, allowing for the creation of intricate 3D geometries with precise nanoparticle pre-alignment. These MMGs exhibit strong magnetic properties, making them suitable for actuator applications.

OpenAccess:
PDF
(additional files)