Synthese und Untersuchung von neuen Alpha,Omega-funktionalisierten Lipopolymeren zum Aufbau von polymerunterstützten Lipiddoppelschichten

Ziel dieser Arbeit war es hydrophile Lipopolymere darzustellen, mit denen es möglich sein sollte polymerunterstützte Lipiddoppelschichten auf festen Substratoberflächen zu fixieren. Die Polymere sollten einen Oberflächenanker, eine lipophile Gruppe und ein hydrophiles Polymerrückgrat enthalten. Hierzu wurden Alpha,Omega-funktionalisierte Polymere ausgehend von lipophilen Initiatoren dargestellt. Ausgehend von hydrophoben 2-Brompropionsäureamiden konnte eine kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) von verschiedenen Acrylamiden durchgeführt werden. So wurden verschiedene Copolymere aus Acrylamid, N-Isopropylacrylamid und N-(3-Dimethylaminopropyl)-acrylamid synthetisiert. Der Einbau des Oberflächenankers als Funktionalität erfolgte indirekt durch Polymerisation eines N-Acryloxysuccinimid Endblocks, welcher in einer anschließenden polymeranalogen Reaktion mit Cysteaminmethyldisulfid umgesetzt wurde.In Ladungsuntersuchungen (PCD) konnte das pH-abhängige Verhalten der Polymere untersucht werden. Der Knäuelkollaps (LCST) der Poly-(N-isopropylacrylamide) wurde mittels Turbidimetrie und DSC charakterisiert. Die Adsorption der Polymere auf Goldoberflächen wurde mit Hilfe der Oberflächenplasmonen Spektroskopie (SPS) aus wässriger Lösung nachgewiesen werden. Dabei bildeten sich ultradünne Filme von 15-20 Å Dicke aus. Kontaktwinkelmessungen wiesen diesen adsorbierten Polymerfilmen ein sehr hydrophiles Verhalten nach. In Lösung adsorbierten die Polymere auf Vesikeloberflächen. Auf ultradünnen Polymerfilmen adsorbierten die Vesikel, wobei mit Hilfe der SPS eine Dickenzunahme um etwa 50 Å nachgewiesen werden konnte. Die ultradünnen Filme der Poly(N-isopropylacrylamide) wiesen eine temperaturabhängige Attraktivität gegenüber Vesikeln auf. Durch gezielte Polystyrol-Entnetzung konnten strukturierte Träger erhalten werden.

Visualization, manipulation and force spectroscopy of cylindrical polymer brushes

The Ph.D. thesis deals with the conformational study of individual cylindrical polymer brush molecules using atomic force microscopy (AFM). Imaging combined with single molecule manipulation has been used to unravel questions concerning conformational changes, desorption behavior and mechanical properties of individual macromolecules and supramolecular structures. In the first part of the thesis (chapter 5) molecular conformations of cylindrical polymer brushes with poly-(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) side chains were studied in various environmental conditions. Also micelle formation of cylindrical brush-coil blockcopolymers with polyacrylic acid side chains and polystyrene coil have been visualized. In chapter 6 the mechanical properties of single cylindrical polymer brushes with (PNIPAM) side chains were investigated. Assuming that the brushes adopt equilibrium conformation on the surface, an average persistence length of lp= (29 ± 3) nm was determined by the end-to-end distance vs. contour length analysis in terms of the wormlike chain (WLC) model. Stretching experiments suggest that an exact determination of the persistence length using force extension curves is impeded by the contribution of the side chains. Modeling the stretching of the bottle brush molecule as extension of a dual spring (side chain and main chain) explains the frequently observed very low persistence length arising from a dominant contribution of the side chain elasticity at small overall contour lengths. It has been shown that it is possible to estimate the “true” persistence length of the bottle brush molecule from the intercept of a linear extrapolation of the inverse square root of the apparent persistence length vs. the inverse contour length plot. By virtue of this procedure a “true” persistence length of 140 nm for the PNIPAM brush molecules is predicted. Chapter 7 and 8 deal with the force-extension behavior of PNIPAM cylindrical brushes studied in poor solvent conditions. The behavior is shown to be qualitatively different from that in a good solvent. Force induced globule-cylinder conformational changes are monitored using “molecule specific force spectroscopy” which is a combined AFM imaging and SMFS technique. An interesting behavior of the unfolding-folding transitions of single collapsed PNIPAM brush molecules has been observed by force spectroscopy using the so called “fly-fishing” mode. A plateau force is observed upon unfolding the collapsed molecule, which is attributed to a phase transition from a collapsed brush to a stretched conformation. Chapter 9 describes the desorption behavior of single cylindrical polyelectrolyte brushes with poly-L-lysine side chains deposited on a mica surface using the “molecule specific force spectroscopy” technique to resolve statistical discrepancies usually observed in SMFS experiments. Imaging of the brushes and inferring the persistence length from a end-to-end distance vs. contour length analysis results in an average persistence length of lp = (25 ± 5) nm assuming that the chains adopt their equilibrium conformation on the surface. Stretching experiments carried out on individual poly-L-lysine brush molecules by force spectroscopy using the “fly-fishing” mode provide a persistence length in the range of 7-23 nm in reasonable accordance with the imaging results. In chapter 10 the conformational behavior of cylindrical poly-L-lysine brush-sodium dodecyl sulfate complexes was studied using AFM imaging. Surfactant induced cylinder to helix like to globule conformational transitions were observed.

Defects in thermosensitive colloidal crystals

Poly-N-Isopropylacrylamide (PNIPAM) colloidal particles form crystal phases that show a thermosensitive behaviour and can be used as atomic model systems. This polymer has both hydrophilic and hydrophobic character and has interesting stimuli-responsive properties in aqueous solution, of which the most important is the temperature response. Above a certain temperature, called Lower Critical Solution Temperature (LCST), the system undergoes a volume phase transition (VPT). Above the LCST, the water is expelled from the polymer network and the swollen state at low temperature transforms into a shrunken state at high temperature. The thermoresponsive behaviour of PNIPAM can be influenced by pH and ionic strength, as well as by the presence of copolymers, such as acrylic acid. In a system formed both by particles of PNIPAM and PNIPAM doped with acrylic acid, one can control the size ratio of the two components by changing the temperature of the mixture, while keeping particle interactions relatively the same. It is therefore possible to obtain thermoresponsive colloidal crystal in which temperature changes induce defects whose formation processes and dynamics can be analysed in an optical microscope at a convenient spatial and temporal scale. The goal of this thesis project was to find the conditions in which such a system could be formed, by using characterization techniques such as Static Light Scattering, Dynamic Light Scattering and Confocal Laser Scanning Microscopy. Two PNIPAM-AAc systems were available, and after characterization it was possible to select a suitable one, on the basis of its low polydispersity and the lack of a VPT, regardless of the external conditions (system JPN_7). The synthesis of a PNIPAM system was attempted, with particles of dimensions matching the JPN_7 system and, unlike JPN_7, displaying a VPT, and one suitable candidate for the mixed system was finally found (system CB_5). The best conditions to obtain thermoresponsive crystal were selected, and the formation and healing of defects were investigated with CLSM temperature scans. The obtained results show that the approach is the correct one and that the present report could represent a useful start for future developments in defect analysis and defect dynamics studies.

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Design of nanoparticle systems with antimicrobial properties

Infektiöse Komplikationen im Zusammenhang mit Implantaten stellen einen Großteil aller Krankenhausinfektionen dar und treiben die Gesundheitskosten signifikant in die Höhe. Die bakterielle Kolonisation von Implantatoberflächen zieht schwerwiegende medizinische Konsequenzen nach sich, die unter Umständen tödlich verlaufen können. Trotz umfassender Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen ist das Spektrum an wirksamen Substanzen aufgrund der Anpassungsfähigkeit und Ausbildung von Resistenzen verschiedener Mikroorganismen eingeschränkt. Die Erforschung und Entwicklung neuer antibakterieller Materialien ist daher von fundamentaler Bedeutung.rnIn der vorliegenden Arbeit wurden auf der Basis von Polymernanopartikeln und anorganischen/polymeren Verbundmaterialien verschiedene Systeme als Alternative zu bestehenden antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen entwickelt. Polymerpartikel finden Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen, da sowohl Größe als auch Zusammensetzung und Morphologie vielseitig gestaltet werden können. Mit Hilfe der Miniemulsionstechnik lassen sich u. A. funktionelle Polymernanopartikel im Größenbereich von 50-500 nm herstellen. Diese wurde im ersten System angewendet, um PEGylierte Poly(styrol)nanopartikel zu synthetisieren, deren anti-adhesives Potential in Bezug auf P. aeruginosa evaluiert wurde. Im zweiten System wurden sog. kontakt-aktive kolloide Dispersionen entwickelt, welche bakteriostatische Eigenschaften gegenüber S. aureus zeigten. In Analogie zum ersten System, wurden Poly(styrol)nanopartikel in Copolymerisation in Miniemulsion mit quaternären Ammoniumgruppen funktionalisiert. Als Costabilisator diente das zuvor quaternisierte, oberflächenaktive Monomer (2-Dimethylamino)ethylmethacrylat (qDMAEMA). Die Optimierung der antibakteriellen Eigenschaften wurde im nachfolgenden System realisiert. Hierbei wurde das oberflächenaktive Monomer qDMAEMA zu einem oberflächenaktiven Polyelektrolyt polymerisiert, welcher unter Anwendung von kombinierter Miniemulsions- und Lösemittelverdampfungstechnik, in entsprechende Polyelektrolytnanopartikel umgesetzt wurde. Infolge seiner oberflächenaktiven Eigenschaften, ließen sich aus dem Polyelektrolyt stabile Partikeldispersionen ohne Zusatz weiterer Tenside ausbilden. Die selektive Toxizität der Polyelektrolytnanopartikel gegenüber S. aureus im Unterschied zu Körperzellen, untermauert ihr vielversprechendes Potential als bakterizides, kontakt-aktives Reagenz. rnAufgrund ihrer antibakteriellen Eigenschaften wurden ZnO Nanopartikel ausgewählt und in verschiedene Freisetzungssysteme integriert. Hochdefinierte eckige ZnO Nanokristalle mit einem mittleren Durchmesser von 23 nm wurden durch thermische Zersetzung des Precursormaterials synthetisiert. Durch die nachfolgende Einkapselung in Poly(L-laktid) Latexpartikel wurden neue, antibakterielle und UV-responsive Hybridnanopartikel entwickelt. Durch die photokatalytische Aktivierung von ZnO mittels UV-Strahlung wurde der Abbau der ZnO/PLLA Hybridnanopartikel signifikant von mehreren Monaten auf mehrere Wochen verkürzt. Die Photoaktivierung von ZnO eröffnet somit die Möglichkeit einer gesteuerten Freisetzung von ZnO. Im nachfolgenden System wurden dünne Verbundfilme aus Poly(N-isopropylacrylamid)-Hydrogelschichten mit eingebetteten ZnO Nanopartikeln hergestellt, die als bakterizide Oberflächenbeschichtungen gegen E. coli zum Einsatz kamen. Mit minimalem Gehalt an ZnO zeigten die Filme eine vergleichbare antibakterielle Aktivität zu Silber-basierten Beschichtungen. Hierbei lässt sich der Gehalt an ZnO relativ einfach über die Filmdicke einstellen. Weiterhin erwiesen sich die Filme mit bakteriziden Konzentrationen an ZnO als nichtzytotoxisch gegenüber Körperzellen. Zusammenfassend wurden mehrere vielversprechende antibakterielle Prototypen entwickelt, die als potentielle Implantatbeschichtungen auf die jeweilige Anwendung weiterhin zugeschnitten und optimiert werden können.

Template-assisted patterning of functional polymers

In this thesis, anodic aluminum oxide (AAO) membranes, which provide well-aligned uniform mesoscopic pores with adjustable pore parameters, were fabricated and successfully utilized as templates for the fabrication of functional organic nanowires, nanorods and the respective well-ordered arrays. The template-assisted patterning technique was successfully applied for the realization of different objectives:rnHigh-density and well-ordered arrays of hole-conducting nanorods composed of cross-linked triphenylamine (TPA) and tetraphenylbenzidine (TPD) derivatives on conductive substrates like ITO/glass have been successfully fabricated. By applying a freeze-drying technique to remove the aqueous medium after the wet-chemical etching of the template, aggregation and collapsing of the rods was prevented and macroscopic areas of perfectly freestanding nanorods were feasible. Based on the hole-conducting nanorod arrays and their subsequent embedding into an electron-conducting polymer matrix via spin-coating, a novel routine concept for the fabrication of well-ordered all-organic bulk heterojunction for organic photovoltaic applications was successfully demonstrated. The increased donor/acceptor interface of the fabricated devices resulted in a remarkable increase of the photoluminescence quenching compared to a planar bilayer morphology. Further, the fundamental working principle of the templating approach for the solution-based all-organic photovoltaic device was demonstrated for the first time.rnFurthermore, in order to broaden the applicability of patterned surfaces, which are feasible via the template-based patterning of functional materials, AAO with hierarchically branched pores were fabricated and utilized as templates. By pursuing the common templating process hierarchically polymeric replicas, which show remarkable similarities with interesting biostructures, like the surface of the lotus leaf and the feet of a gecko, were successfully prepared.rnIn contrast to the direct infiltration of organic functional materials, a novel route for the fabrication of functional nanowires via post-modification of reactive nanowires was established. Therefore, reactive nanowires based on cross-linked pentafluorophenylesters were fabricated by utilizing AAO templates. The post-modification with fluorescent dyes was demonstrated. Furthermore, reactive wires were converted into well-dispersed poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) hydrogels, which exhibit a thermal-responsive reversible phase transition. The reversible thermal-responsible swelling of the PNIPAM nanowires exhibited a more than 50 % extended length than in the collapsed PNIPAM state. rnLast but not least, the shape-anisotropic pores of AAO were utilized to uniformly align the mesogens of a nematic liquid crystalline elastomer. Liquid crystalline nanowires with a narrow size distribution and uniform orientation of the liquid crystalline material were fabricated. It was shown that during the transition from the nematic to the isotropic phase the rod’s length shortened by roughly 40 percent. As such these liquid crystalline elastomeric nanowires may find application, as wire-shaped nanoactuators in various fields of research, like lab-on-chip systems, micro fluidics and biomimetics.rn

Diffusion in heterogeneous systems studied by laser scanning confocal microscopy and fluorescence correlation spectroscopy

Understanding and controlling the mechanism of the diffusion of small molecules, macromolecules and nanoparticles in heterogeneous environments is of paramount fundamental and technological importance. The aim of the thesis is to show, how by studying the tracer diffusion in complex systems, one can obtain information about the tracer itself, and the system where the tracer is diffusing. rnIn the first part of my thesis I will introduce the Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) which is a powerful tool to investigate the diffusion of fluorescent species in various environments. By using the main advantage of FCS namely the very small probing volume (<1µm3) I was able to track the kinetics of phase separation in polymer blends at late stages by looking on the molecular tracer diffusion in individual domains of the heterogeneous structure of the blend. The phase separation process at intermediate stages was monitored with laser scanning confocal microscopy (LSCM) in real time providing images of droplet coalescence and growth. rnIn a further project described in my thesis I will show that even when the length scale of the heterogeneities becomes smaller than the FCS probing volume one can still obtain important microscopic information by studying small tracer diffusion. To do so, I will introduce a system of star shaped polymer solutions and will demonstrate that the mobility of small molecular tracers on microscopic level is nearly not affected by the transition of the polymer system to a “glassy” macroscopic state. rnIn the last part of the thesis I will introduce and describe a new stimuli responsive system which I have developed, that combines two levels of nanoporosity. The system is based on poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) and silica inverse opals (iOpals), and allows controlling the diffusion of tracer molecules. rn

Synthese und Charakterisierung von polymerbasierten Trägersystemen für biomedizinische Anwendungen

Polymer-Therapeutika spielen im Bereich der Arzneimittelforschung eine immerrngrößere Rolle. Benötigt werden dafür Trägersysteme für die gewünschten Wirkstoffe.rnDurch den Einsatz von wasserlöslichen biokompatiblen Polymeren werden mehrerernentscheidende Vorteile erhalten. Beispielsweise verlängert sich durch die höherernMolmasse die Zirkulationszeit im Blutkreislauf. Zudem ermöglicht die Anbindung vonrnTargetmolekülen den gezielten Wirkstofftransport zum Zielort.rnDie vorliegende Arbeit behandelt die Synthese und Charakterisierung von polymerbasiertenrnTrägersystemen für biomedizinische Anwendungen.rnAls erstes Teilprojekt wurde die Synthese einer Polymerbürste gewählt, derenrnSeitenketten aus Polymer-Oligonucleotid (ODN)-Konjugaten bestehen. Als Polymerrnwurde Poly(N-Isopropylacrylamid) gewählt, welches per RAFT-Polymerisationrnsynthetisiert wurde. Die Bürste sollte mittels „Grafting Through“-Technik hergestelltrnwerden. Dafür wurden zuerst das Polymer-Oligonucleotid-Konjugat und darausrnanschließend das entsprechende Makromonomer gebildet. Die Synthese undrnCharakterisierung des Konjugats sowie des Makromonomers wurden erfolgreichrndurchgeführt, jedoch war die Aufreinigung des Makromonomers nicht möglich.rnIm zweiten Teilprojekt war das Ziel Polyion-Komplex-Mizellen als Trägersystemernherzustellen. Benötigt wurden dazu ein Polymer bestehend aus einem kationischenrnund einem biokompatiblen Block sowie eine ODN-Sequenz zur Komplexierung desrnkationischen Blocks. Im ersten Ansatz wurde als Polymerisationsmethode die RAFTPolymerisationrnund Mono-N-boc-1,3-diaminopropanmethylmethacrylat als kationischesrnMonomer sowie α- bzw. ε-Lysinmethylmethacrylat als zwitterionischesrnMonomer verwendet. Jedoch war die Herstellung der Blockcopolymere nicht möglich.rnIm zweiten Ansatz wurde deshalb Poly-2-oxazolin als biokompatibler Block gewählt.rnMit Poly-L-lysin als kationischen Block und CpG war eine Bildung und Charakterisierungrnvon Polyion-Komplex-Mizellen in 15mM PBS-Puffer möglich.rnIm dritten Teilprojekt wurden biomedizinisch relevante Verbindungen mittelsrnkupferfreier Clickchemie an eine ELP-Bürste gebunden und charakterisiert.

Thermoreversible hyaluronan-based hydrogel supports in vitro and ex vivo disc-like differentiation of human mesenchymal stem cells

BACKGROUND CONTEXT The fate of human mesenchymal stem cells (hMSCs) supplied to the degenerating intervertebral disc (IVD) is still not fully understood and can be negatively affected by low oxygen, pH, and glucose concentration of the IVD environment. The hMSC survival and yield upon injection of compromised IVD could be improved by the use of an appropriate carrier and/or by predifferentiation of hMSCs before injection. PURPOSE To optimize hMSC culture conditions in thermoreversible hyaluronan-based hydrogel, hyaluronan-poly(N-isopropylacrylamide) (HA-pNIPAM), to achieve differentiation toward the disc phenotype in vitro, and evaluate whether preconditioning contributes to a better hMSC response ex vivo. STUDY DESIGN In vitro and ex vivo whole-organ culture of hMSCs. METHODS In vitro cultures of hMSCs were conducted in HA-pNIPAM and alginate for 1 week under hypoxia in chondropermissive medium alone and with the supplementation of transforming growth factor β1 or growth and differentiation factor 5 (GDF-5). Ex vivo, hMSCs were either suspended in HA-pNIPAM and directly supplied to the IVDs or predifferentiated with GDF-5 for 1 week in HA-pNIPAM and then supplied to the IVDs. Cell viability was evaluated by Live-Dead assay, and DNA, glycosaminoglycan (GAG), and gene expression profiles were used to assess hMSC differentiation toward the disc phenotype. RESULTS The HA-pNIPAM induced hMSC differentiation toward the disc phenotype more effectively than alginate: in vitro, higher GAG/DNA ratio and higher collagen type II, SOX9, cytokeratin-19, cluster of differentiation 24, and forkhead box protein F1 expressions were found for hMSCs cultured in HA-pNIPAM compared with those cultured in alginate, regardless of the addition of growth factors. Ex vivo, direct combination of HA-pNIPAM with the disc environment induced a stronger disc-like differentiation of hMSCs than predifferentiation of hMSCs followed by their delivery to the discs. CONCLUSIONS Hyaluronan-based thermoreversible hydrogel supports hMSC differentiation toward the disc phenotype without the need for growth factor supplementation in vitro and ex vivo. Further in vivo studies are required to confirm the suitability of this hydrogel as an effective stem cell carrier for the treatment of IVD degeneration.

A papain-induced disc degeneration model for the assessment of thermo-reversible hydrogel-cells therapeutic approach

Nucleus pulposus (NP) regeneration by the application of injectable cell-embedded hydrogels is an appealing approach for tissue engineering. We investigated a thermo-reversible hydrogel (TR-HG), based on a modified polysaccharide with a thermo-reversible polyamide [poly(N-isopropylacrylamide), pNIPAM], which is made to behave as a liquid at room temperature and hardens at > 32 °C. In order to test the hydrogel, a papain-induced bovine caudal disc degeneration model (PDDM), creating a cavity in the NP, was employed. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) or autologous bovine NP cells (bNPCs) were seeded in TR-HG; hMSCs were additionally preconditioned with rhGDF-5 for 7 days. Then, TR-HG was reversed to a fluid and the cell suspension injected into the PDDM and kept under static loading for 7 days. Experimental design was: (D1) fresh disc control + PBS injection; (D2) PDDM + PBS injection; (D3) PDDM + TR-HG (material control); (D4) PDDM + TR-HG + bNPCs; (D5) PDDM + TR-HG + hMSCs. Magnetic resonance imaging performed before and after loading, on days 9 and 16, allowed imaging of the hydrogel-filled PDDM and assessment of disc height and volume changes. In gel-injected discs the NP region showed a major drop in volume and disc height during culture under static load. The RT–PCR results of injected hMSCs showed significant upregulation of ACAN, COL2A1, VCAN and SOX9 during culture in the disc cavity, whereas the gene expression profile of NP cells remained unchanged. The cell viability of injected cells (NPCs or hMSCs) was maintained at over 86% in 3D culture and dropped to ~72% after organ culture. Our results underline the need for load-bearing hydrogels that are also cyto-compatible.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.

In situ mineralization by the release of calcium and phosphate ions from nanogels

Biomimetic hydroxyapatite was synthesized by the controlled release of calcium and phosphate ions from poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) (poly(NIPAAm-co-AA)) nanogels. Mixing nanogels containing calcium chloride (CaCl2 ·2H2O) and nanogels containing sodium hydrogen phosphate (Na2HPO4·2H2O) in simulated body fluid (SBF) at physiological conditions of 37 °C and pH 7.4, biomimetic hydroxyapatite was obtained. By studying separately the loading and controlled release of the salts from the nanogels, adequate conditions were chosen to synthesize the hydroxyapatite: Calcium loaded (Ca-loaded) nanogels (1000 mg/ml; 400:3) and inorganic phosphate loaded (Pi-loaded) nanogels (90 mg/ml; 12:1) in a ratio of 2:1 were placed in SBF solution. The obtained powders characterization showed that a low crystalline and substituted hydroxyapatite similar to bone apatite was formed. Such a strategy could be used in medical and dental procedures to induce rapid inorganic mineral formation from a nanogel-containing biomaterial. © 2012 American Scientific Publishers. All rights reserved.

Comparative study of dexamethasone and vancomycin release behavior from stimuli-sensitive microgel aqueous dispersions

Stimuli-sensitive microgels of poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) (designated as P(NIPAAm-co-AA)) were prepared through precipitation polymerization. Their capacity to load and release different drugs under different conditions, including physiological, in a controlled manner was analyzed. Two drugs were assayed and compared: dexamethasone and vancomycin. The prepared microgel particles show good thermosensitivity. In addition, the amount of cross-linker used in the preparation of the microgels does not greatly influence the drug-release capability of P(NIPAAm-co-AA)), but the amount of drug used to load the microgels did result in bigger amounts of drug released afterwards. These results imply potential application of prepared stimuli-sensitive microgel dispersions as drug-delivery systems and tissue engineering materials.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.