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Comparative Study of Phase Behaviour and Structure of a Water Soluble Synthetic Polymer and an Elastin-like Peptide

Matt, Alexander Daniel :
Comparative Study of Phase Behaviour and Structure of a Water Soluble Synthetic Polymer and an Elastin-like Peptide.
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8213]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2018)

Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8213

Kurzbeschreibung (Abstract)

This work concerns itself with the structure and phase behaviour of water soluble macromolecules. The molecules are studied in solutions of different concentrations and the solutions are also brought into a soft confinement. We will study the influence of different chain ends of a polymer on the phase boundaries and structure formation of the bulk solution as well as on the surfactant layer of a water in oil microemulsion in the droplet phase providing the soft confinement. It will also be discussed how increasing temperature and chain length of the polymer changes the stability and radius of the microemulsion droplets. Further we will analyse structural changes of a peptide in a buffer solution in bulk and the microemulsion soft confinement.

DSC measurements are performed to establish the phase diagram of the water polymer mixtures and they reveal that an eutectic system is formed, regardless of the endgroup of the polymer. Structure formation of the polymer water mixtures is observed via WAXS and SAXS measurements, which reveal that upon crystallisation the polymer and water separate before freezing, instead of forming a solid solution or mixed crystal. For some concentrations of polymer the formed hexagonal ice crystal exhibits a preferred growth direction, that is independent of the endgroups. But there is also a concentration and temperature dependent preferred growth direction of the polymer crystal for one set of endgroups that is not found in the other set. Further it can be seen that adding water to the polymer increases the long period of the polymer crystal, by increasing the thickness of the crystalline phase instead of the amorphous phase. Only for high concentrations of water in the mixture there is an increase in the long period with increasing temperature.

SANS measurements are used, to analyse the structural conformation of the peptide in the buffer solution. Here we find that the radius of gyration of the peptide increases with temperature and concentration hinting at a strong aggregation process, except for low concentrations of peptide. In those samples it is possible to see an inverse temperature transition of the peptide. The structural conformation of the peptide is more that of a flexible polymer chain than of a folded particle, but deviates from the flexible behaviour with decreasing concentration.

To analyse the influence of polymer concentration, chain length and endgroups on the stability of the surfactant layer of the microemulsion droplet, BDS and SAXS measurements are employed. We find that the stability of the droplet depends highly on the number and size of the polymer chain, but not on the endgroups. There is an ideal polymer size and number of polymer chains inside the droplet at which the destabilisation or stabilisation of the droplet is maximal. The radius of the microemulsion droplets decreases with temperature regardless of their degree of stability. But stabilised droplets exhibit a slower decrease in radius than destabilised droplets. An attractive interaction between surfactant shell and polymer is found for both types of endgroups.

Finally, we use SANS and SAXS measurements in order to study the conformation of the peptide and of the surfactant layer in the microemulsion droplet phase. The peptide does not destroy the droplet phase and seems to adsorb at the surfactant interface, just like the polymer. This stabilises the droplet, which still decreases in radius with increasing temperature.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2018
Autor(en): Matt, Alexander Daniel
Titel: Comparative Study of Phase Behaviour and Structure of a Water Soluble Synthetic Polymer and an Elastin-like Peptide
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

This work concerns itself with the structure and phase behaviour of water soluble macromolecules. The molecules are studied in solutions of different concentrations and the solutions are also brought into a soft confinement. We will study the influence of different chain ends of a polymer on the phase boundaries and structure formation of the bulk solution as well as on the surfactant layer of a water in oil microemulsion in the droplet phase providing the soft confinement. It will also be discussed how increasing temperature and chain length of the polymer changes the stability and radius of the microemulsion droplets. Further we will analyse structural changes of a peptide in a buffer solution in bulk and the microemulsion soft confinement.

DSC measurements are performed to establish the phase diagram of the water polymer mixtures and they reveal that an eutectic system is formed, regardless of the endgroup of the polymer. Structure formation of the polymer water mixtures is observed via WAXS and SAXS measurements, which reveal that upon crystallisation the polymer and water separate before freezing, instead of forming a solid solution or mixed crystal. For some concentrations of polymer the formed hexagonal ice crystal exhibits a preferred growth direction, that is independent of the endgroups. But there is also a concentration and temperature dependent preferred growth direction of the polymer crystal for one set of endgroups that is not found in the other set. Further it can be seen that adding water to the polymer increases the long period of the polymer crystal, by increasing the thickness of the crystalline phase instead of the amorphous phase. Only for high concentrations of water in the mixture there is an increase in the long period with increasing temperature.

SANS measurements are used, to analyse the structural conformation of the peptide in the buffer solution. Here we find that the radius of gyration of the peptide increases with temperature and concentration hinting at a strong aggregation process, except for low concentrations of peptide. In those samples it is possible to see an inverse temperature transition of the peptide. The structural conformation of the peptide is more that of a flexible polymer chain than of a folded particle, but deviates from the flexible behaviour with decreasing concentration.

To analyse the influence of polymer concentration, chain length and endgroups on the stability of the surfactant layer of the microemulsion droplet, BDS and SAXS measurements are employed. We find that the stability of the droplet depends highly on the number and size of the polymer chain, but not on the endgroups. There is an ideal polymer size and number of polymer chains inside the droplet at which the destabilisation or stabilisation of the droplet is maximal. The radius of the microemulsion droplets decreases with temperature regardless of their degree of stability. But stabilised droplets exhibit a slower decrease in radius than destabilised droplets. An attractive interaction between surfactant shell and polymer is found for both types of endgroups.

Finally, we use SANS and SAXS measurements in order to study the conformation of the peptide and of the surfactant layer in the microemulsion droplet phase. The peptide does not destroy the droplet phase and seems to adsorb at the surfactant interface, just like the polymer. This stabilises the droplet, which still decreases in radius with increasing temperature.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik > Experimentelle Physik kondensierter Materie
Hinterlegungsdatum: 25 Nov 2018 20:55
Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8213
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-82131
Gutachter / Prüfer: Stühn, Prof. Dr. Bernd ; Vogel, Prof. Dr. Michael
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 5 November 2018
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Struktur und dem Phasenverhalten von wasserlöslichen Makromolekülen. Die Moleküle werden in Lösung mit verschiedenen Konzentrationen und die Lösungen in einen weichen räumlichen Einschluss untersucht. Wir ermitteln den Einfluss den verschiedene Kettenenden eines Polymers auf die Phasengrenzen und die Strukturbildung in der Lösung haben, genauso wie den Einfluss auf die Tensid-Schicht einer Wasser-in-Öl Mikroemulsion, die sich in der Tröpfchen-Phase befindet. Auch wird der Einfluss von steigender Temperatur und Kettenlänge des Polymers auf die Stabilität des Mikroemulsionströpfchens diskutiert. Weiterhin analysieren wir die Strukturveränderung eines Peptids in einer Pufferlösung und im räumlichen weichen Einschluss einer Mikroemulsion. Dynamische Differenzkalorimetrie wird genutzt um das Phasendiagramm der Wasser Polymer Mischung zu erstellen und es zeigt sich, dass ein eutektisches System vorliegt, unabhängig davon, welches Kettenende vorliegt. Die Strukturbildung der Wasser Polymer Lösung wird mit Hilfe von Röntgenweitwinkel- und Röntgenkleinwinkelstreuung untersucht, die zeigt, dass das Wasser und das Polymer separieren, bevor es zur Kristallisation kommt. Dabei formt sich kein Mischkristall. Lösungen die eine bestimmtew Konzentration Polymer aufweisen bilden einen hexagonalen Eiskristall mit einer bevorzugten Wachstumsrichtung aus, die wieder unabhängig von den Kettenenden ist. Aber es existiert auch eine konzentrations- und temperaturabängige bevorzugteWachstumsrichtung des Polymerkristall, allerdings nur für einen Typ Kettenende. Weiterführend stellen wir fest, dass die Zugabe von Wasser die Langperiode des Polymerkristalls verlängert, indem sich die Dicke der kristallinen Phase, anstatt der amorphen Phase, erhöht. Nur für hohe Wasserkonzentrationen vergrößert sich die Langperiode mit steigender Temperatur. Neutronenkleinwinkelstreuung wird genutzt, um die strukturelle Konformation eines Peptids in einer Pufferlösung zu untersuchen. Es stellt sich heraus, dass der Gyrationsradius des Peptids sich mit steigender Temperatur und Konzentration vergrößert, was für einen starken Aggregationsprozess spricht. Für geringe Konzentrationen des Peptids zeigt sich jedoch ein anderes Verhalten. In diesen Proben ist es möglich den inversen Temperatur Übergang des Peptides zu sehen. Die strukturelle Konformation des Peptides entspricht mehr der Konformation einer flexiblen Polymerketten, als der eines gefalteten Partikels, aber weicht bei geringer Konzentration an Peptid mehr von dem Verhalten einer flexiblen Polymerkette ab. Um den Einfluss von Polymerkonzentration, Kettenlänge und Kettenenden auf die Stabilität der Tensidschicht eines Mikroemulsionströpfchen zu untersuchen, führen wir Breitband dielektrische Spektroskopie und Röntgenkleinwinkelstreuung durch. Die Stabilität des Tröpfchens hängt dabei stark von der Anzahl und Größe der Polymerketten im Tröpfchen ab, aber nicht von den Kettenenden. Es exisitiert eine ideale Kettenlänge und Kettenanzahl, bei welcher das Tröpfchen maximal stabilisiert bzw. destabilisiert wird. Der Radius der Mikroemulsionströpfchen verringert sich mit steigender Temperatur, unabängig davon, ob es stabilisiert oder destabilisiert wird. Aber stabilisierte Tröpfchen zeigen eine verringerte Abnahme im Radius im Vergleich zu stabilisierten Tröpfchen. Eine attraktive Wechselwirkung zwischen Tensidschicht und Polymer wird für alle Kettenenden gefunden. Abschließend ermitteln wir die Konformation des Peptides und der Tensidschicht für Mikroemulsionen in der Tröpfchenphase. Das Peptid zerstört die Tröpfchenphase nicht und scheint an der Tensidschicht zu adsorbieren, wie das Polymer. Dies stabilisiert das Tröpfchen, dessen Radius sich immernoch mit steigender Temoperatur verringert.Deutsch
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