Molecular dynamics simulations of sheared brush-like systems

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen wir bürstenartige Systeme unter guten Lösungsmittelbedingungen. Diese Systeme sind, dank ihren vielfältigen Beschaffenheiten, die von Molekularparametern und äußeren Bedingungen abhängig sind, wichtig für viele industrielle Anwendungen. Man vermutet, dass die Polymerbürsten eine entscheidende Rolle in der Natur wegen ihrer einzigartigen Gleiteigenschaften spielen. Ein vergröbertes Modell wird verwendet, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften zweier hochkomprimierter Polymerbürsten, die eine niedrige Reibung aufweisen, zu untersuchen. Allerdings sind die Lubrikationseigenschaften dieser Systeme, die in vielen biologischen Systemen vorhanden sind, beeinflußt. Wir untersuchen so-genannte "weiche Kolloide", die zwischen den beiden Polymerbürsten eingebettet sind, und wie diese Makroobjekte auf die Polymerbürsten wirken.rnrnNicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen werden durchgeführt, in denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen durch die Anwendung des DPD-Thermostaten mit expliziten Lösungsmittelmolekülen berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Kenntnis der Gleichgewichtseigenschaften des Systems erlaubt, dynamische Nichtgleichgewichtsigenschaften der Doppelschicht vorherzusagen.rnrnWir untersuchen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen kolloidalen Einschlüßen durch die Anwesenheit der Bürsten (in Abhängigkeit der Weichheit der Kolloide und der Pfropfdichte der Bürsten) beeinflußt wird. Als nächsten Schritt untersuchen wir die rheologische Antwort von solchen komplexen Doppelschichten auf Scherung. Wir entwickeln eine Skalen-Theorie, die die Abhängigkeit der makroskopischen Transporteigenschaften und der lateralen Ausdehnung der verankerten Ketten von der Weissenberg Zahl oberhalb des Bereichs, in dem die lineare Antwort-Theorie gilt, voraussagt. Die Vorhersagen der Theorie stimmen gut mit unseren und früheren numerischen Ergebnissen und neuen Experimenten überein. Unsere Theorie bietet die Möglichkeit, die Relaxationszeit der Doppelschicht zu berechnen. Wenn diese Zeit mit einer charakteristischen Längenskala kombiniert wird, kann auch das ''transiente'' (nicht-stationäre) Verhalten beschrieben werden.rnrnrnWir untersuchen die Antwort des Drucktensors und die Deformation der Bürsten während der Scherinvertierung für grosse Weissenberg Zahlen. Wir entwickeln eine Vorhersage für die charakteristische Zeit, nach der das System wieder den stationären Zustand erreicht.rnrnrnElektrostatik spielt eine bedeutende Rolle in vielen biologischen Prozessen. Die Lubrikationseigenschaften der Polymerbürsten werden durch die Anwesenheit langreichweitiger Wechselwirkungen stark beeinflusst. Für unterschiedliche Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen untersuchen wir rheologische Eigenschaften der Doppelschicht und vergleichen mit neutralen Systemen. Wir studieren den kontinuierlichen Übergang der Systemeigenschaften von neutralen zu stark geladenen Bürsten durch Variation der Bjerrumlänge und der Ladungsdichte.

Towards antibody-mediated targeting of dendritic cells for cancer immunotherapy with multivalent polymer-antigen conjugates

Der Fokus dieser Arbeit lag auf der definierten Synthese multifunktioneller Polymer-Konjugate zur Anwendung in der Krebs-Immunotherapie. Durch gezielte Variation der Kon-jugationsbedingungen wurde Zusammensetzung, Größe und Aggregationsverhalten in Zell-medium sowie in humanem Serum untersucht. Nach definierter physikalisch-chemischer Charakterisierung wurde dann die induzierte Antigen-Präsentation zur Aktivierung der T-Zellproliferation analysiert.rnDafür wurden zwei verschiedene polymere Carrier-Systeme gewählt, lineares Poly-L-lysin und eine Polylysinbürste (PLL-Bürste). Es wird vermutet, dass die PLL-Bürste aufgrund der anisotropen Form eine bessere Verteilung im Körper und eine verlängerte Zirkulationsdauer zeigen wird. Die zu konjugierenden biologisch aktiven Komponenten waren der antiDEC205-Antikörper (aDEC205) für die gezielte Adressierung CD8-positiver dendritischer Zellen (DC), ein Ovalbumin (OVA)-spezifisches Antigen mit der Kernsequenz SIINFEKL für die Spezifität der Immunantwort gegen Krebszellen, die dieses Antigen tragen, und ein immunaktivieren-der TLR9-Ligand, CpG1826. Die Effizienz dieses Konjugates dendritische Zellen zu aktivieren, welche wiederum eine Immunantwort gegen OVA-exprimierende Krebszellen induzieren, wurde durch die Konjugation aller Komponenten am identischen Trägermolekül deutlich höher erwartet.rnLineares Poly-L-lysin diente als Modellsystem um die Konjugationschemie zu etablieren und dann auf die zylindrische Polylysinbürste zu übertragen. Anhand dieser polymeren Träger wurde das Verhalten der verschiedenen Topologien des Knäuels und der Bürste im Hinblick auf den Einfluss struktureller Unterschiede sowohl auf Konjugationsreaktionen als auch auf das in situ und in vitro Verhalten untersucht.rnFluoreszenzmarkiertes Antigen und der CpG Aktivator konnten jeweils aufgrund einer Thiol-Modifizierung an die Thiol-reaktive Maleimidgruppe des heterobifunktionellen Linkers Sulfo-SMCC an PLL-AlexaFluor48 konjugiert werden. Anschließend wurde aDEC205-AlexaFluor647 an PLL gekoppelt, entweder durch Schiff Base-Reaktion des oxidierten Antikörpers mit PLL und anschließender Reduzierung oder durch Click-Reaktion des PEG-Azids modifizierten An-tikörpers mit Dicyclobenzylcyclooctin (DIBO)-funktionalisiertem PLL. Die Konjugation der biologisch aktiven Komponenten wurde mit Durchflusszytometrie (FACS) und konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) untersucht und die Zusammensetzung des Konjugatesrnmittels UV/Vis-Spektroskopie bestimmt. Die PLL-Bürste alleine zeigte eine hohe Zytotoxizität bei HeLa und JAWS II Zelllinien, wohingegen lineares PLL und PLL-Konjugate sowie die PLL Bürsten-Konjugate keine ausgeprägte Zytotoxizität aufwiesen. Die Polymer-Konjugate wie-sen keine Aggregation in Zellmedium oder humanem Serum auf, was mittels winkelabhängi-ger dynamischer Lichtstreuung bestimmt wurde. CLSM Aufnahmen zeigten Kolokalisation der an die einzelnen Komponenten gebundenen Fluoreszenzfarbstoffe in dendritischen Zel-len, was die erfolgreiche Konjugation und Internalisierung der Konjugate in die Zellen bele-gen konnte. FACS Messungen ergaben eine geringfügig erhöhte Aufnahme des adressierten PLL-Antigen-Antikörper-Konjugates verglichen mit dem PLL-Antigen-Konjugat. Experimente mit dem „Specific Hybridization Internalization Sensor“ (SHIP) zeigten jedoch nur Aufnahme der PLL-Konjugate in CD8+ unreife DC, nicht in reife DC, die nicht mehr unspezifisch, sondern nur noch über Rezeptoren internalisieren. Dies bewies die unspezifische Aufnahme des Kon-jugates, da Antikörper-Konjugation keine Rezeptor-vermittelte Endozytose in reife DC indu-zieren konnte. T-Zell-Proliferationsassays ergaben eine Aktivierung von CD8+ T-Zellen indu-ziert durch Antigen-tragende Konjugate, wohingegen Konjugate ohne Antigen als Negativ-kontrollen dienten und keine T-Zell-Proliferation erzielten. Es konnte jedoch kein Unter-schied zwischen adressierten und nicht adressierten Konjugaten aufgrund der unspezifischen Aufnahme durch das Polymer beobachtet werden. Lösliches SIINFEKL alleine bewirkte schon bei geringeren Konzentrationen eine T-Zell-Proliferation.rnEs war somit möglich, drei biologischen Komponenten an einen polymeren Träger zu konju-gieren und diese Konjugate im Hinblick auf Zusammensetzung, Größe, Internalisierung in dendritische Zellen und Aktivierung der T-Zell-Proliferation zu untersuchen. Außerdem wur-de die Konjugationschemie erfolgreich von dem Modellsystem des linearen PLL auf die PLL-Bürste übertragen. Die Polymer-Konjugate werde unspezifisch in DC aufgenommen und in-duzieren T-Zellproliferation, die mit Antigen-Präsentationsassays nachgewiesen wird. Es konnte jedoch durch Konjugation des Antikörpers keine Rezeptor-vermittelte Aufnahme in CD8+ DC erzielt werden.rnDiese Studien stellen einen erfolgsversprechenden ersten Schritt zur Entwicklung neuer Na-nomaterialien für die Anwendung in Krebs-Immuntherapie dar.

Synthese und Charakterisierung von Polymer-Wirkstoff-Antikörper-Konjugaten zur Anwendung in der Krebsimmuntherapie

Polymere Wirkstoffsysteme gewinnen im Bereich der biomedizinischen Forschung immer größeres Interesse. Vielversprechende Systeme für die Entwicklung von neuartigen Krebs-immun¬therapien stellen insbesondere Polymer-Konjugate dar. Das ideale Polymer-Konjugat besitzt eine Größe zwischen 10 nm und 100 nm, ist nicht zytotoxisch und zeigt keine Aggregation in humanem Blutserum. In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese und Charakterisierung von Polymer-Wirkstoff-Konjugaten zur Anwendung in der Krebsimmuntherapie behandelt. Erstes Ziel der Arbeit war es, geeignete polymere Trägersysteme für die in vivo Anwendung zu finden. Hierzu wurde zunächst die Stabilität verschiedener potentieller polymerer Träger-systeme (Nanohydrogele, Succinyliertes-Poly-L-Lysin (Bürste), ELP-Bürsten und Poly(2-oxazolin)bürsten) in humanem Serum untersucht. Weiterhin wurde die unspezifische Zellaufnahme in murinen dendritischen Zellen (DCs) analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass vor allem neutrale bzw. zwitterionische Partikel eine hohe Serumstabilität sowie keine unspezifische Zellaufnahme zeigen. Um eine gezielte Adressierung der DCs des Immunsystems zu erreichen und dadurch eine Immunantwort gegenüber einem bestimmten Krebs Zelltyp zu induzieren, wurden Biokonjugate - auf Basis der Succinylierten-Poly-L-Lysin-(Bürste) sowie der Azid-funktionalisierten Poly(2-oxazolin)bürste (POx) – entwickelt, da diese Polymerbürsten keine bzw. kaum unspezifische Aufnahme in DCs zeigen. Hierbei diente der Antikörper aDEC205 der gezielten Adressierung von CD8+ DCs. Die weiteren bioaktiven Komponenten waren das tumorassoziierte Antigen (TAA) mit der Kernsequenz SIINFEKL zur Induktion einer spezifischen Immunantwort sowie der immunaktivierende TLR9 Ligand, CpG1826. Die Komponenten wurden nacheinander an die Fluoreszenz-markierten Polymere kon¬jugiert. Die Konjugation des Antikörpers erfolgte nach vorangegangener DIBO-Modifizierung über kupferfreie Click-Chemie. Mit einer optimierten Aufarbeitungsmethodik gelang es, aggregat-freie, unimere DIBO-modifizierte aDEC205 Antikörper zu isolieren. Für die succinylierten Poly-L-Lysine konnten keine eindeutigen sowie reproduzierbaren Ergebnisse erhalten werden, sodass sich im weiteren Verlauf der Arbeit auf die POx konzentriert wurde. Die Konjugation von aDEC205 an POx wurde mittels verschiedener physiko-chemischer Methoden (UV-VIS, SDS-PAGE, FCS, GPC, CLSM und FACS) gezeigt. Mit Hilfe von „Specific-Hybridization-Internalisation-Sensor“ Experimenten konnte eine spezifische Aufnahme des Konjugats in CD8+ DCs nachgewiesen werden. rnDie Konjugation von Antigen und CpG erfolgte ebenso nach entsprechender Modifizierung über kupferfreie Click-Chemie. SDS-PAGE, UV-VIS und FCS bestätigten eine erfolgreiche Kopplung. T-Zell-Proliferationsversuche ergaben für Antigen enthaltende Polymer-Konjugate eine CD8+ T-Zell-Aktivierung. Des Weiteren zeigten die POx keine bemerkenswerte Toxizität und deren Konjugate keine Aggregation in humanem Serum. rnrnDarüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Polymertopologien auf ihre Biodistribution sowie Blutzirkulation untersucht. Für die nach GPC-Fraktionierung erhaltenen verschiedenen Polymerfraktionen - hochmolekulare wurmartige Polymerbürsten, ellipsoidartige Polymer-bürsten und niedermolekulare kugelförmige Moleküle - konnten vielversprechende Ergebnisse erhalten werden.

Impact and fracture resistance of an experimental acrylic polymer with elastomer in different proportions

The purpose of this study was to evaluate the impact and fracture resistance of acrylic resins: a heat-polymerized resin, a high-impact resin and an experimental polymethyl methacrylate with elastomer in different proportions (10, 20, 40 and 60%). 120 specimens were fabricated and submitted to conventional heat-polymerization. For impact test, a Charpy-type impact tester was used. Fracture resistance was assessed with a 3-point bending test by using a mechanical testing machine. Ten specimens were used for each test. Fracture (MPa) and impact resistance values (J.m-1) were submitted to ANOVA - Bonferroni's test - 5% significance level. Materials with higher amount of elastomer had statistically significant differences regarding to impact resistance (p < 0.05). Fracture resistance was superior (p < 0.01) for high-resistance acrylic resin. The increase in elastomer concentration added to polymethyl methacrylate raised the impact resistance and decreased the fracture resistance. Processing the material by injection decreased its resistance to impact and fracture.

Evaluation of capillaries with different inner coatings for DNA analysis using dilute polymer solutions by capillary electrophoresis

In this work three capillary columns, one with uncoated inner wall and two with covalently-bound internal coatings - poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(dimethylacrylamide) (PDMA) - both covalently covered - were used to separate DNA fragments and compared to DNA separation using replaceable polymer solutions. The separations were performed using hydroxyethylcellulose (HEC) (90-105 kDa) in concentrations ranging from 0.00 to 2.00% m/v. The results indicated that the separation efficiency was higher in the PVA capillary than in the PDMA in all evaluated concentrations of HEC. In addition, higher resolution was also observed in PVA-coated capillary since in PDMA the shape of the peaks was not reproducible when subsequent runs were performed. Contrary to what has previously been reported in the literature, no reasonable separation was possible in bare fused silica.

Conducting polymer- hydrogel blends for electrochemically controlled drug release devices

Blends formed by electrochemical polymerization of polypyrrole (PPy) into polyacrylamide (PAAm) hydrogels were used as devices for controlled drug release. The influence of several parameters in the synthesis, such as type of hydrogel matrix and polymerization conditions was studied by using a fractional factorial design. The final goal was to obtain an adequate device for use in controlled release tests, based on electrochemical potential control. For controlled release tests, Safranin was used as model drug and release curves (amount of drug vs. time) have shown that these blends are promising materials for this use. The optimized blends obtained were characterized by cyclic voltammetry and Raman spectroscopy.

Structure of disordered gold-polymer thin films using small angle x-ray scattering

We have investigated the structure of disordered gold-polymer thin films using small angle x-ray scattering and compared the results with the predictions of a theoretical model based on two approaches-a structure form factor approach and the generalized Porod law. The films are formed of polymer-embedded gold nanoclusters and were fabricated by very low energy gold ion implantation into polymethylmethacrylate (PMMA). The composite films span (with dose variation) the transition from electrically insulating to electrically conducting regimes, a range of interest fundamentally and technologically. We find excellent agreement with theory and show that the PMMA-Au films have monodispersive or polydispersive characteristics depending on the implanted ion dose. (C) 2010 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3493241]

Surface plasmon resonance of gold nanoparticles formed by cathodic arc plasma ion implantation into polymer

Shallow subsurface layers of gold nanoclusters were formed in polymethylmethacrylate (PMMA) polymer by very low energy (49 eV) gold ion implantation. The ion implantation process was modeled by computer simulation and accurately predicted the layer depth and width. Transmission electron microscopy (TEM) was used to image the buried layer and individual nanoclusters; the layer width was similar to 6-8 nm and the cluster diameter was similar to 5-6 nm. Surface plasmon resonance (SPR) absorption effects were observed by UV-visible spectroscopy. The TEM and SPR results were related to prior measurements of electrical conductivity of Au-doped PMMA, and excellent consistency was found with a model of electrical conductivity in which either at low implantation dose the individual nanoclusters are separated and do not physically touch each other, or at higher implantation dose the nanoclusters touch each other to form a random resistor network (percolation model). (C) 2009 American Vacuum Society. [DOI: 10.1116/1.3231449]

Structural properties of buried conducting layers formed by very low energy ion implantation of gold into polymer

We have investigated the fundamental structural properties of conducting thin films formed by implanting gold ions into polymethylmethacrylate (PMMA) polymer at 49 eV using a repetitively pulsed cathodic arc plasma gun. Transmission electron microscopy images of these composites show that the implanted ions form gold clusters of diameter similar to 2-12 nm distributed throughout a shallow, buried layer of average thickness 7 nm, and small angle x-ray scattering (SAXS) reveals the structural properties of the PMMA-gold buried layer. The SAXS data have been interpreted using a theoretical model that accounts for peculiarities of disordered systems.

Conducting polymer formed by low energy gold ion implantation

A buried conducting layer of metal/polymer nanocomposite was formed by very low energy gold ion implantation into polymethylmethacrylate. The conducting layer is similar to 3 nm deep and of width similar to 1 nm. In situ resistivity measurements were performed as the implantation proceeded, and the conductivity thus obtained as a function of buried gold concentration. The measured conductivity obeys the behavior well established for composites in the percolation regime. The critical concentration, below which the polymer remains an insulator, is attained at a dose similar to 1.0 x 10(16) atoms/cm(2) of implanted gold ions. (C) 2008 American Institute of Physics.

Three-dimensional fabrication of optically active microstructures containing an electroluminescent polymer

Microfabrication via two-photon absorption polymerization is a technique to design complex microstructures in a simple and fast way. The applications of such structures range from mechanics to photonics to biology, depending on the dopant material and its specific properties. In this paper, we use two-photon absorption polymerization to fabricate optically active microstructures containing the conductive and luminescent polymer poly(2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV). We verify that MEH-PPV retains its optical activity and is distributed throughout the microstructure after fabrication. The microstructures retain the emission characteristics of MEH-PPV and allow waveguiding of locally excited fluorescence when fabricated on top of low refractive index substrates. (C) 2009 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3232207]

Surface characterization of absorbing polymer films deposited on transparent glasses

PANI films were deposited on glass substrates by in-situ polymerization and characterized by UV-VIS spectroscopy and atomic force microscopy. A method is developed to accurately analyze ellipsometric data obtained for transparent glass substrates before and after modification with absorbing polymer films. Surface modification was made with an overlayer such as polyaniline ( PANI), which exhibits different optical properties by varying its oxidation state. First, the issue of using transparent substrates for ellipsometry studies was examined and then, spectroscopic ellipsometry was used to characterize absorbing overlayers on transparent glasses. The same methodologies of data analysis can be also applied to other absorbing films on transparent substrates, and deposited by different techniques.

Polymer matrix sensitizing effect on photoluminescence properties of Eu(3+)-beta-diketonate complex doped into poly-beta-hydroxybutyrate (PHB) in film form

In this work is reported the sensitization effect by polymer matrices on the photoluminescence properties of diaquatris(thenoyltrifluoroacetonate)europium(III), [Eu(tta)(3)(H(2)O)(2)], doped into poly-beta-hydroxybutyrate (PHB) with doping percentage at 1, 3, 5, 7 and 10% (mass) in film form. TGA results indicated that the Eu(3+) complex precursor was immobilized in the polymer matrix by the interaction between the Eu(3+) complex and the oxygen atoms of the PHB polymer when the rare earth complex was incorporated in the polymeric host. The thermal behaviour of these luminescent systems is similar to that of the undoped polymer, however, the T(onset) temperature of decomposition decreases with increase of the complex doping concentration. The emission spectra of the Eu(3+) complex doped PHB films recorded at 298 K exhibited the five characteristic bands arising from the (5)D(0) -> (7)F(J) intraconfigurational transitions (J = 0-4). The fact that the quantum efficiencies eta of the doped film increased significantly revealed that the polymer matrix acts as an efficient co-sensitizer for Eu(3+) luminescent centres and therefore enhances the quantum efficiency of the emitter (5)D(0) level. The luminescence intensity decreases, however, with increasing precursor concentration in the doped polymer to greater than 5% where a saturation effect is observed at this specific doping percentage, indicating that changes in the polymeric matrix improve the absorption property of the film, consequently quenching the luminescent effect.

Sequence-specific electrochemical detection of Alicyclobacillus acidoterrestris DNA using electroconductive polymer-modified fluorine tin oxide electrodes

This study outlines the quantification of low levels of Alicyclobacillus acidoterrestris in pure cultures, since this bacterium is not inactivated by pasteurization and may remain in industrialized foods and beverages. Electroconductive polymer-modified fluorine tin oxide (FTO) electrodes and multiple nanoparticle labels were used for biosensing. The detection of A. acidoterrestris in pure cultures was performed by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and the sensitivity was further increased by asymmetric nested RT-PCR using electrochemical detection for quantification of the amplicon. The quantification of nested RT-PCR products by Ag/Au-based electrochemical detection was able to detect 2 colony forming units per mL (CFU mL(-1)) of spores in pure culture and low detection and quantification limits (7.07 and 23.6 nM, respectively) were obtained for the target A. acidoterrestris on the electrochemical detection bioassay.

A novel electrocatalyst support with proton conductive properties for polymer electrolyte membrane fuel cell applications

The objective of this study is to graft the Surface of carbon black, by chemically introducing polymeric chains (Nafion (R) like) with proton-conducting properties. This procedure aims for a better interaction of the proton-conducting phase with the metallic catalyst particles, as well as hinders posterior support particle agglomeration. Also loss of active surface call be prevented. The proton conduction between the active electrocatalyst site and the Nafion (R) ionomer membrane should be enhanced, thus diminishing the ohmic drop ill the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). PtRu nanoparticles were supported on different carbon materials by the impregnation method and direct reduction with ethylene glycol and characterized using amongst others FTIR, XRD and TEM. The screen printing technique was used to produce membrane electrode assemblies (MEA) for single cell tests in H(2)/air(PEMFC) and methanol operation (DMFC). In the PEMFC experiments, PtRu supported on grafted carbon shows 550 mW cm(-2) gmetal(-1) power density, which represents at least 78% improvement in performance, compared to the power density of commercial PtRu/C ETEK. The DMFC results of the grafted electrocatalyst achieve around 100% improvement. The polarization Curves results clearly show that the main Cause of the observed effect is the reduction in ohmic drop, caused by the grafted polymer. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.