Light-sensitive polymeric nanoparticles based on photo-cleavable chromophores

Der Fokus dieser Arbeit liegt in dem Design, der Synthese und der Charakterisierung neuartiger photosensitiver Mikrogele und Nanopartikel als potentielle Materialien für Beladungs- und Freisetzungsanwendungen. Zur Realisierung dieses Konzepts wurden verschiedene Ansätze untersucht.Es wurden neuartige niedermolekulare lichtspaltbare Vernetzermoleküle auf der Basis von o-Nitrobenzylderivaten synthetisiert, charakterisiert und zur Herstellung von photosensitiven PMMA und PHEMA Mikrogelen verwendet. Diese sind unter Bestrahlung in organischen Lösungsmitteln quellbar und zersetzbar. Durch die Einführung anionischer MAA Gruppen in solche PHEMA Mikrogele wurde dieses Konzept auf doppelt stimuliresponsive p(HEMA-co-MAA) Mikrogele erweitert. Hierbei wurde ein pH-abhängiges Quellbarkeitsprofil mit der lichtinduzierten Netzwerkspaltung in wässrigen Medien kombiniert. Diese duale Sensitivität zu zwei zueinander orthogonalen Reizen stellt ein vielversprechendes Konzept zur Kombination einer pH-abhängigen Beladung mit einer lichtinduzierten Freisetzung von funktionellen Substanzen dar. Desweiteren wurden PAAm Mikrogele entwickelt, welche sowohl eine Sensitivität gegenüber Enzymen als auch Licht aufweisen. Dieses Verhalten wurde durch die Verwendung von (meth-)acrylatfunktionalisierten Dextranen als polymere Vernetzungsmoleküle erreicht. Das entsprechende stimuliresponsive Profil basiert auf der enzymatischen Zersetzbarkeit der Polysaccharid-Hauptkette und der Anbindung der polymerisierbaren Vinyleinheiten an diese über photospaltbare Gruppen. Die gute Wasserlöslichkeit der Vernetzermoleküle stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Beladung solcher Mikrogele mit funktionellen hydrophilen Substanzen bereits während der Partikelsynthese dar. Ein weiteres Konzept zur Beladung von Mikrogelen basiert auf der Verwendung von photolabilen Wirkstoff-Mikrogel Konjugaten. In einem ersten Schritt zur Realisierung solch eines Ansatzes wurde ein neuartiges Monomer entwickelt. Hierbei wurde Doxorubicin über eine lichtspaltbare Gruppe an eine polymerisierbare Methacrylatgruppe angebunden. Für die Freisetzung hydrophober Substanzen in wässrigen Medien wurden polymere Photolack-Nanopartikel entwickelt, welche sich unter Bestrahlung in Wasser zersetzen. Die lichtinduzierte Änderung der Hydrophobizität des Polymers ermöglichte die Freisetzung von Nilrot durch das Auflösen der partikulären Struktur. Ein interessanter Ansatz zur Verhinderung einer unkontrollierten Freisetzung funktioneller Substanzen aus Mikrogelen ist die Einführung einer stimuliresponsiven Schale. In diesem Kontext wurden Untersuchungen zur Bildung von nicht-stimulisensitiven Schalen um vorgefertigte Mikrogelkerne und zur Synthese von Hydrogelkernen in vorgefertigten polymeren Schalen (Nanokapseln) durchgeführt.

This thesis focuses on the design, synthesis and characterization of novel photo-sensitive microgels and nanoparticles as potential materials for the loading and light-triggered release/accessibility of functional compounds. In order to realize this concept, different approaches to irradiation-dependent response mechanisms have been investigated. Novel light-cleavable divinyl functionalized monomeric crosslinkers based on o-nitrobenzyl derivatives were synthesized and used for the preparation of either PMMA or hydroxyl functionalized PHEMA microgels swellable and degradable in organic solvents. By the introduction of anionic MAA moieties into the PHEMA microgels, this concept was successfully transferred to double stimuli-responsive p(HEMA-co-MAA) hydrogel nanoparticles exhibiting a pH-dependent swelling and light-induced degradation behavior in aqueous media. This sensitivity to two orthogonal triggers is proposed to combine a pH-induced post-formation loading mechanism with a pH- and light-triggered release. In addition, a new class of enzyme- and light-sensitive PAAm microgels based on (meth-)acrylate functionalized dextrans as photo- and enzymatically degradable macromolecular crosslinkers was developed by introducing a photo-labile linker between the enzymatically degradable dextran chain and the polymerizable vinyl moieties. Here, the water solubility of the crosslinkers is assumed to enable an in situ loading approach of hydrophilic compounds. A different approach to the loading of microgels is based on photo-labile covalent microgel-drug conjugates. The first step to the realization of this concept was achieved by the development of a novel functional monomer consisting of a doxorubicin molecule covalently attached to a radically polymerizable methacrylate group via a photo-cleavable linker. Moreover, in order to enable the release of hydrophobic substances in aqueous media, hydrophobic nanoparticles consisting of a photo-resist polymer were designed to be degradable upon irradiation in water. Light-triggered conversion of the initial hydrophobic polymer into hydrophilic PMAA induced in situ particle dissolution and release of nile red. Since the introduction of a stimuli-responsive shell around a microgel is assumed to prevent leakage of embedded compounds, studies on non-stimuli-responsive shell formation around preformed microgel seed particles and the formation of microgel cores in polymeric shells were conducted to investigate potential synthetic pathways to this approach. In a last attempt, the surface of PHEMA and p(HEMA-co-MAA) microgels was functionalized with cinnamoyl groups in order to trigger the (reversible) particles interaction with each other by light-induced [2+2] cycloaddition reactions.