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Antifouling Properties of Smooth and Structured Polyelectrolyte Thin Films

Cao, Xinyu

German Title: Antiifouling Eigenschaften von glatten und strukturierten dünnen Polyelektrolyt Filmen

PDF, English (Dissertation of Xinyu Cao)
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The goal of this thesis is the development of smooth and structured polyelectrolyte surfaces and to correlate the surface properties with their antifouling performance. Strategies in antifouling are focused on two aspects: surface chemistry and surface topography. Therefore, two types of surfaces, polysaccharide coatings with different chemistries and poly(acrylic acid)/polyethylenimine multilayers with different topographies, have been studied in this thesis. Three polysaccharides, hyaluronic acid (HA), alginic acid (AA) and pectic acid (PA), were covalently coupled on glass or silicon surfaces. The results of protein adsorption tests on these coatings indicate that surface charge, molecular conformation and reaction with calcium play important roles in the interactions between polysaccharides and proteins. The settlements of bacteria (Pseudomonas fluorescens, Vibrioalginolyticus, Cobetia marina and Marinobacter hydrocarbonoclasticus ), algae (Navicula perminuta and Ulva linza) and invertebrate cyprids (Balanus amphitrite) on polysaccharide coatings reveal that surface properties such as wettability, swelling in water and interactions with ions have great influence on biofouling. Polyelectrolyte multilayers were applied to study the effect of topography on marine biofouling. These multilayers were constructed by the deposition of the oppositely charged polyelectrolytes, poly(acrylic acid) (PAA) and polyethylenimine (PEI) through a layer-by-layer spray coating method. Hierarchical surface structures with different texture sizes and roughnesses were obtained by adjusting the pH of the polyelectrolyte solutions. Settlement of Ulva spores and barnacle cyprids was remarkably reduced by the multilayers with large texture size and high roughness. The effect of topography on biofouling is related to the attachment points between the surface and the fouling organisms. Surface modifications on polyelectrolyte multilayers with fluorinated silane and poly(ethylene glycol) (PEG) combined topography and chemistry. The antifouling performance of modified multilayers was determined by both the topography of the multilayer film and the chemistry of the surface. Several techniques were applied to analyze the surface properties of the coatings, including contact angle measurement, spectral ellipsometry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM).

Translation of abstract (German)

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung glatter und strukturierter Polyelektrolyt-Oberflächen zur Erforschung der Korrelation von Oberflächeneigenschaften und Antifouling Potential. Strategien in Antifouling wurden auf zwei Aspekte konzentriertet:Oberflächenchemie und Oberflächentopographie. Deshalb wurden in dieser Arbeit zwei Oberflächenarten, Polysaccharidschichten mit unterschiedlicher Oberflächenchemie und Polyacrylicsäure/Polyethylenimin Multilagen mit verschiedenen Topographien, untersucht. Drei Polysaccharide, Hyaluronsäure, Alginsäure und Pectinsäure, wurden kovalent an Glas beziehungsweise Silizium gebunden. Die Ergebnisse von proteinadsoptionstests mit diesen Oberflächen zeigen, dass die Oberflächenladung, die molekulare Konformation sowie Reaktionen mit Kalzium eine wichtige Rolle für die Wechselwirkungen zwischen Polysacchariden und Proteinen spielen. Die Anlagerung von Bakterien (Pseudomonas fluorescens, Vibrio alginolyticus, Cobetia marina und Marinobacter hydrocarbonoclasticus), Algen (Navicula perminuta und Ulva linza) und Larven von Wirbellosen (Balanus amphitrite) auf den Polysaccharidbeschichtungen hat gezeigt, dass Oberflächeneigenschaften wie Benetzbarkeit, Quellverhalten in Wasser und Wechselwirkungen mit Ionen großen Einfluss auf das Biofouling haben. Um die Effekte der Oberflächentopographie zu untersuchen, wurden Polyelektrolytmultischichten angewendet. Diese Multischichten wurden durch eine layer-by-layer Anlagerung der gegensätzlich geladenen Polyelektrolyte Polyacrylsäure und Polyethylenimin mittels Sprühbeschichtung hergestellt. Hierarchische Oberflächenstrukturen mit unterschiedlichen Texturgrößen und Rauhigkeiten konnten durch die Einstellung des pH-Wertes der Elektrolytlösungen erhalten werden. Eine bemerkenswerte Verringerung der Anlagerung von Sporen der Alge Ulva und von Seepockenlarven zeigte sich auf den Multischichten mit großen Oberflächenstrukturen und hoher Rauhigkeit. Die Auswirkung der Topographie auf das Biofouling steht in engem Zusammenhang mit den Kontaktpunkten zwischen Oberfläche und anhaftenden Meeresorganismen. Durch chemische Modifizierung von Polyelektrolytmultischichten mit Fluor-Silan und Polyethylenglykol (PEG) wurden Oberflächenchemie und Topographie kombiniert. Die Antifouling-Eigenschaften der modifizierten Oberflächen wurden dabei sowohl von Chemie als auch Topographie der Oberfläche beeinflusst. Zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften der Schichten wurden verschiedenste Techniken angewendet, unter anderem Kontaktwinkelmessungen, spektrale Ellipsometrie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 17 October 2008
Date Deposited: 05 Dec 2008 13:12
Date: 2008
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Biofouling, Polysaccharide, Polyelektrolyt, Oberflächenstruktur, Oberfläche
Uncontrolled Keywords: Meeresorganismen , Adhäsion , Oberflächenanalytik , Polyelektrolyt Multilagen , Oberflächenchemiemarine organism , adhesion , surface analysis , polyelectrolyte multilayers , surface chemistry
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