Hydrogels for DNA isolation from blood

This dissertation describes the synthesis of surface attached hydrogel biomaterials, characterization of their properties, evaluation of structuring concepts and the investigation of these materials in the isolation of DNA from human whole blood. Photosensitive hydrogel precursor materials on the basis of hydroxyethylmethacrylate (HEMA) were synthesized by free radical polymerization. In order to obtain surface bound hydrogel films, the precursors were deposited on a suitable substrate and subsequently irradatiated with UV - light to accomplish the formation of crosslinks in the film and create surface attachment. The composition of the polymerization precursor materials was determined by comprehensive NMR and GPC studies, revealing the copolymerizationrnbehaviour of the used monomers - HEMA derivatives and the photocrosslinkerrnMABP - and their respective distribution in the hydrogel precursors. The degree of crosslinking of the hydrogels was characterized with UV/vis spectroscopy. Stress-strain measurements were conducted in order to investigate the mechanical properties of the biomaterials. Moreover, the swelling process and biomolecule adsorption properties of the hydrogels were investigated with SPR/OW spectroscopy. For this, the deposition and binding of the hydrogels on gold or SiO2 surfaces was facilitated with photocrosslinkable adhesion promotors. The produced hydrogels were mechanically rigid and stablernunder the conditions of PCR and blood lysis. Furthermore, strategies towards the increase of hydrogel surface structure and porosity with porosigens, 2D laser interference lithography and photocleavable blockcopolymers were investigated. At last, a combinatorial strategy was used for the determination of the usefulness of hydrogels for the isolation from DNA from blood. A series of functionalized hydrogel precursors were synthesized, transferred to the surface inside a PCR tube and subsequently screened in regard to DNA adsorption properties with Taqman quantitative PCR. This approach yielded a promising candidate for a functional PCR tube coating that would allow the entire DNA isolation procedure being carried out in a single reaction container.rnThereforce, the practical application of such macromolecular architectures can be envisioned to improve industrial DNA diagnostic processes.

Diese Dissertation beschreibt die Herstellung und Charakterisierung von oberflächenfixierten Hydrogelen, die Evaluation von Filmstrukturierungs-konzepten und die Untersuchung der Hydrogelfilmeigenschaften bezüglich der Isolation von DNA aus Blut.rnPhotovernetzbare Hydrogelvorstufen wurden auf der Basis von 2-Hydroxyethyl-methacrylat (HEMA) und Methacryloyloxybenzophenon (MABP) mit Freier Radikalischer Polymerisation dargestellt. Um oberflächengebundene Filme zu erhalten wurden die Hydrogelvorstufen auf einer geeigneten Oberfläche aufgebracht und zur Vernetzung und Oberflächenanbindung mit UV Licht bestrahlt.rnDie Hydrogelvorstufen wurden mit NMR und GPC charakterisiert und das Copolymerisationsverhalten der verwendeten Monomere - HEMA und das Photovernetzermonomer MABP - untersucht. Das Photovernetzungsverhalten wurde mit UV/vis Experimenten und die mechanischen Eigenschaften rnder hergestellten Filme mit E-Modul-Messungen verfolgt.rnWeiterhin wurden die Hydrogele bezüglich der Quelleigenschaften in Wasser und Adsorptionseigenschaften von Biomolekülen mit SPR/OW - Spektroskopie erforscht. rnDie Anbindung der Hydrogele auf SiO2- und Goldoberflächen wurde durch Haftvermittler auf Basis von Triethoxysilan- und Thiolderivaten von Benzophenon durchgeführt. Die photochemisch angebundenen Hydrogele zeigten sich mechanisch stabil unter den Bedingungen der Filmquellung, Blutlyse und PCR.rnStrategien zur Vergrößerung der Adsorptionsoberfläche der Hydrogelfilme mit Hilfe von Porosigenen, 2D Laser Interferenz-rnlithographie und photospaltbaren Blockcopolymeren wurden überprüft. rnZuletzt wurde ein kombinatorischer Ansatz zur Findung eines geeigneten Hydrogels zur Isolierung von gDNA aus Blut verfolgt. Dazu wurde eine Serie auf pHEMA-co-pMABP basierender Hydrogele mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen hergestellt, auf die 3D Geometrie von PCR Probengefäßen transferiert und mit quantitativer Taqman PCR auf die Menge adsorbierter gDNA untersucht. Dabei zeigte sich ein Hydrogelmaterial als ergiebig genug hinsichtlich der DNA Ausbeute, so dass die DNA-Isolierungsprozedur gemäß einem „one-pot“ Verfahren stark vereinfacht in der industriellen DNA Diagnostik in einem statt mehreren Probengefäßen stattfinden könnte.rnrn