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Funktionale Polymergele basierend auf Click- und Supramolekularer Chemie
In this thesis, a modular construction kit for supramolecular polymer gels has
been prepared by use of linear chains of electrophilic methacryl-succinimidyl
(MASI) modified poly(N-isopropylacrylamide). The MASI units were replaced by
nucleophilic substitution with amine-functionalized derivatives of
supramolecular crosslinkable motifs. By this means, a set of pNIPAAm polymers
that consist of exactly the same polymer backbone functionalized with
different types of supramolecular crosslinkable side groups has been
synthesized. Since the pNIPAAm is soluble in a variety of solvents, gels can
be prepared and studied at various solvent conditions. Polymer chain
crosslinking is achieved via hydrogen bonding or metal complexation by
addition of low molecular weight crosslinkers that are complementary to the
motifs on the polymer. In all cases, the mechanical properties of the
resulting supramolecular gels are determined by the strength of supramolecular
association, as revealed quantitatively by oscillatory shear rheology and
isothermal titration calorimetry. By this means, supramolecular networks of
greatly varying mechanical strength, from low viscous liquids to highly
elastic gels, could be prepared. Additionally, the present toolkit allows
further functionalization of the precursors with amine-functionalized
fluorescent markers to probe the polymer networks by fluorescence-based
imaging or tracking techniques. We followed this approach and studied these
supramolecular networks by probing the micrometer-scale mobility of
fluorescently tagged linear chains that diffuse through them. As a result, at
a certain threshold strength of association the concentration dependence of
the tracer-chain diffusivity is in agreement with theoretical predictions
derived from the âsticky reptationâ model by Rubinstein and Semenov. Although
our investigations demonstrated the utility of our modular toolkit, they also
revealed a persistent limitation: complex long-term relaxation is observed
that cannot be clearly related to theoretical modeling. We attributed this
finding to irregular and inhomogeneous network structure caused by the
polydispersity of both the precursor chain molecular weight and the side group
substitution pattern. As a consequence, we developed a material toolkit to
form supramolecular polymer networks with different crosslinking strengths
that have the potential to exhibit close to regular and determined nanometer-
scale network topologies. For this purpose, narrowly distributed tetra-arm
poly(ethylene glycol) precursors were end-capped with terpyridine moieties.
Different transition metal ions such as Mn2+, Zn2+, and Co2+ were used to form
transient networks with different strengths of connectivity in a variety of
different solvents. Since the polymer network mesh size is determined by the
molecular weight of the arms of the precursor chains and since this molecular
weight is regular and narrowly disperse, networks of highly regular topology
can be obtained, as determined by static light scattering. As hydrogel-based
drug depots for biomedical applications, we developed pharmacologically
responsive supramolecular biohybrid microgels. For this purpose, a generically
applicable method for the synthesis of micrometer-scale, injection-ready
biohybrid materials was devised. Droplet-based microfluidics was used to
generate monodisperse pre-microgel fluid droplets, wherein which fluorescein-
modified 8-arm PEG was reacted with a thiol-functionalized humanized anti-
fluorescein single chain antibody fragment and vinylsulfone-functionalized
8-arm PEG. This resulted in the formation of stable, narrowly dispersed
supramolecular microgels of 30 and 150 ”m in diameter. The addition of free
fluorescein to these microgels induced a weakening of their hydrogel
structure, eventually leading to its disintegration. For the encapsulation of
living cells into reversibly crosslinked microgel particles, again, droplet-
based microfluidics and supramolecular gelation have been combined. Linear PEG
precursor polymers that carry bipyridine moieties on both chain termini were
gelled by complexation to iron(II) ions. By using PEG precursors of different
molecular weights at different concentrations the microgel elasticity can be
controlled and thereby the cell viabilities have been optimized to exceed 90%.
The microgels are degradable by addition of competitive ligands within 1.5 h
under very mild conditions, with no effect on the viability of the
encapsulated and released cells. Although this approach is an important step
toward a new platform for storing, studying, and manipulating cells within
artificial extracellular matrixes and releasing them subsequently, it is not
suitable for long-term applications due to microgel auto-degradation within
timespans of just several hours. A strategy to overcome this limitation is to
increase the density of reversibly associating groups, along with increasing
the extent of chain entanglement; both require polymer side-group
functionalization rather than polymer end-group functionalization. Thus, we
developed a supramolecular polymer toolkit based on biocompatible linear
polyglycerol that is functionalized with orthogonal supramolecular
crosslinkable side groups. Strain-promoted azideâalkyne cycloaddition was
employed to functionalize the polymer backbone with cyanurate and
diaminotriazine moieties that form a multipoint hydrogen-bonded array, along
with terpyridine moieties that form bivalent metal complexes with iron(II)
ions. By this type of orthogonal crosslinking, supramolecular hydrogels can be
formed at mild conditions that remain stable for several weeks. The orthogonal
reversibility of the crosslinks allows the hydrogels to be selectively de-
crosslinked by orthogonal stimulation. Whereas addition of metal chelators has
no impact on the hydrogen-bonding crosslinking in these systems, it reverses
the metal-complexation crosslinking. Conversely, addition of acetic acid
reverses the hydrogen bonding, but has no influence on the metal complexation.
Their responsiveness and reversibility along with the biocompatibility of the
lPG backbone polymer render this class of hydrogels promising for use in
temporary cell encapsulation and controlled cell release in future work. As an
alternative to supramolecular crosslinking to generate stimuli-responsive
cell-laden microgels, we employed covalent crosslinking along with
incorporation of degradable linkers into the polymer network. We combined
droplet microfluidic templating with bio-orthogonal thiolâene click chemistry
to fabricate monodisperse, cell-laden microgel particles in which the
encapsulated mammalian cells exhibit excellent viabilities of up to 90%. In
this approach, micro-droplet gelation is achieved via the nucleophilic Michael
addition of dithiolated PEG macro-crosslinkers to acrylated hPG building
blocks. By systematic variation of the microgel mechanical properties, their
influence on the viability and proliferation of encapsulated cells has been
probed. Degradation of the microgel particles through hydrolysis of the ester
bond close to the thioether bond has been observed over a time of several
weeks, but has not been precisely controllable or tunable. To overcome this
limitation we designed a new microgel construction kit for the bioorthogonal
encapsulation of living cells using strain-promoted azideâalkyne cycloaddition
for crosslinking along with acid-labile benzacetal linkers for the programmed
cell release. The variation of the substitution pattern of the benzacetals
allows precise control of the microgel degradation kinetics in the interesting
pH range between 4.5 and 7.4. The encapsulated cells could be cultured inside
the microgels with full retention of their viability and the subsequent
microgel degradation had no detrimental effect on the encapsulated and
released cells. Besides temporary cell encapsulation, this construction kit
has potential for the stabilization and controlled release of many other
therapeutic relevant biological systems such as proteins, genes, and even
bacteria.In dieser Arbeit wurde ein modulares Baukastensystem fĂŒr die Herstellung von
supramolekularen Polymergelen entwickelt. Dazu wurde zunÀchst lineares
Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAAm) hergestellt, das elektrophile Methacryl-
Succinimidyl-Einheiten (MASI) enthielt. Diese MASI-Einheiten konnten dann
durch nukleophile Substitution mit Amin-funktionalisierten Derivaten
supramolekular vernetzbarer Motive umgesetzt werden. Auf diese Weise konnte
ein Satz von Polymeren hergestellt werden, die aus ein und demselben RĂŒckgrat
bestehen, aber unterschiedliche Typen supramolekular vernetzbarer
Seitengruppen enthalten. Da PNIPAAm in einer Vielzahl von verschiedenen
Lösungsmitteln löslich ist, konnten auch die entsprechenden supramolekularen
Netzwerke in verschieden Lösungsmitteln hergestellt und untersucht werden. Die
Polymerketten wurden ĂŒber WasserstoffbrĂŒckenbindungen oder Metallkomplexierung
vernetzt, indem niedermolekulare Vernetzer hinzugegeben wurden, die
komplementÀr zu den supramolekularen Motiven des Polymers sind. In allen
untersuchten FĂ€llen werden die mechanischen Eigenschaften der supramolekularen
Netzwerke durch die StÀrke der supramolekularen Wechselwirkung bestimmt, was
quantitativ mittels oszillatorischer Scherrheologie und isothermaler
Titrationskalorimetrie gezeigt werden konnte. Auf diese Weise konnten
supramolekulare Netzwerke stark unterschiedlicher mechanischer StÀrke, von
niedrig viskosen FlĂŒssigkeiten bis hin zu hoch elastischen Gelen, hergestellt
werden. DarĂŒber hinaus erlaubt der vorliegende Materialbaukasten die
Funktionalisierung der Polymere mit Amin-funktionalisierten fluoreszierenden
Markern, um die Polymernetzwerke mittels fluoreszenzbasierten
Bildgebungsverfahren untersuchen zu können. Wir haben diesen Ansatz verfolgt
und die MobilitÀt von fluoreszenzmarkierten linearen Ketten in den
supramolekularen Polymernetzwerken untersucht. Ab einer bestimmten
BindungsstÀrke der supramolekularen Motive verhielt sich die
KonzentrationsabhĂ€ngigkeit der KettendiffusivitĂ€t in Ăbereinstimmung mit
theoretischen Vorhersagen des âsticky reptationâ Modells von Rubinstein und
Semenov. Wenngleich all diese Untersuchungen die NĂŒtzlichkeit unseres
modularen Baukastensystems gezeigt haben, wurden gleichzeitig auch seine
Grenzen aufgedeckt: Eine komplexe Langzeit-Relaxation wurde beobachtet, die
nicht eindeutig mit theoretischen Modellen beschrieben werden kann. Wir haben
diese Beobachtung auf eine uneinheitliche und inhomogene Netzwerkstruktur
zurĂŒckgefĂŒhrt, die sowohl von der PolydispersitĂ€t der VorlĂ€uferpolymere als
auch von deren uneinheitlicher Seitengruppenvernetzung verursacht wird. Als
Konsequenz hieraus haben wir ein weiteres Baukastensystem entwickelt, mit dem
man wiederum supramolekulare Polymernetzwerke unterschiedlicher StÀrke
erzeugen kann, die jedoch eine einheitliche und definierte nanometerskalige
Netzwerktopologie aufweisen. HierfĂŒr wurden engverteilte Vierarm-
Poly(ethylenglykol)-VorlÀufer an ihren Kettenenden mit Terpyridin-Motiven
funktionalisiert. Unterschiedliche Ăbergangsmetallionen wie Mn2+, Zn2+, und
Co2+ wurden benutzt, um supramolekulare Netzwerke unterschiedlicher
VernetzungsstÀrke in verschiedenen Lösungsmitteln herzustellen. Da die
Maschenweite der Polymernetzwerke durch das Molekulargewicht der Arme der
VorlÀuferpolymere bestimmt wird und da dieses Molekulargewicht einheitlich und
engverteilt ist, können extrem homogene Netzwerke erhalten werden, wie mittels
statischer Lichtstreuung gezeigt werden konnte. Als hydrogelbasierte
Wirkstoffdepots fĂŒr biomedizinische Anwendungen haben wir pharmakologisch-
responsive supramolekulare Biohybrid-Mikrogele hergestellt. Dazu wurde eine
generell einsetzbare Methode fĂŒr die Herstellung von mikrometerskaligen,
injizierbaren Biohybridmikrogelen entwickelt. Tröpfchenbasierte Mikrofluidik
wurde benutzt, um monodisperse Tröpfchen herzustellen, in denen fluorescein-
modifiziertes Achtarm-PEG mit einem Thiol-funktionalisierten humanisierten
Anti-Fluorescein scFv-Fragment und Vinylsulfon-funktionalisiertem Achtarm-PEG
reagierten. Als Folge wurden stabile, engverteilte supramolekulare Mikrogele
von 30 und 150 ”m Durchmesser erhalten. Die Zugabe von freiem Fluorescein zu
diesen Mikrogelen fĂŒhrte zur SchwĂ€chung ihrer Hydrogelstruktur bzw.
schlieĂlich zu deren Auflösung. FĂŒr die Verkapselung von lebenden Zellen in
reversibel vernetzte Mikrogelpartikel wurden die tröpfchenbasierte
Mikrofluidik und die supramolekulare Vernetzungschemie wiederum miteinander
kombiniert. Lineare PEG VorlÀuferpolymere wurden an ihren beiden Kettenenden
mit Bipyridinen funktionalisiert und durch Komplexierung mit Eisen(II)-ionen
zu Mikrogelen vernetzt. Durch Wahl von PEG-Polymeren unterschiedlichen
Molekulargewichts bei unterschiedlichen Polymerkonzentrationen konnte die
MikrogelelastizitÀt eingestellt werden. Dadurch gelang es, die
Mikrogeleigenschaften fĂŒr die Zellverkapselung zu optimieren und
ZellvitabilitĂ€ten von ĂŒber 90% zu erreichen. Die erhaltenen Mikrogele können
durch Zugabe von kompetitiven Liganden innerhalb von 1,5 Stunden unter milden
Bedingungen aufgelöst werden. Der Abbauprozess der Partikel hat keine
schÀdlichen Auswirkungen auf die ZellvitabilitÀt der verkapselten und
freigesetzten Zellen. Dieser Ansatz ist ein wichtiger Schritt hin zu einer
neuen Materialplattform, die es erlaubt, Zellen in einer kĂŒnstlichen
extrazellulÀren Matrix zu verkapseln, zu untersuchen, zu manipulieren und
anschlieĂend wieder freizusetzen. Allerdings ist der vorliegende Ansatz nicht
fĂŒr Langzeitanwendungen geeignet, da die Mikrogele innerhalb mehrerer Stunden
durch Autoabbau aufgelöst werden. Diese EinschrĂ€nkung könnte ĂŒberwunden
werden, indem die Dichte vernetzbarer Gruppen erhöht und die
Kettenverschlaufung verstĂ€rkt wird. Hierzu mĂŒssten die polymeren VorlĂ€ufer in
ihren Seitenketten funktionalisiert werden und nicht nur an ihren Enden. Um
dieses Ziel zu erreichen, wurde lineares Polyglycerol synthetisiert und an den
Seitenketten mit orthogonal vernetzbaren supramolekularen Motiven
funktionalisiert. Die spannungsvermittelte AzidâAlkin Zykloaddition wurde
verwendet, um das Polymer einerseits mit Cyanurat- und Diaminotriazin-
Einheiten zu funktionalisieren, die zusammen eine komplexe Anordnung von
WasserstoffbrĂŒcken ausbilden, und andererseits mit Terpyridin-Einheiten, die
bivalente Metallkomplexe mit Eisen(II)-ionen eingehen. Diese Art der
orthogonalen Vernetzung ermöglicht die Bildung von supramolekularen Hydrogelen
unter milden Bedingungen, wobei die erhaltenen Gele ĂŒber eine exzellente
LangzeitstabilitĂ€t von mehreren Wochen verfĂŒgen. Gleichzeitig ermöglicht die
orthogonale ReversibilitÀt der Netzknoten die Hydrogele durch orthogonale
Stimulierung selektiv zu entnetzen. Die Zugabe von Metall-Chelatoren hat
keinen Einfluss auf die WasserstoffbrĂŒckenvernetzung, jedoch fĂŒhrt sie zur
Auflösung der Metall-komplexierten Vernetzung. Umgekehrt fĂŒhrt die Zugabe von
EssigsĂ€ure zur Auflösung der WasserstoffbrĂŒckenbindungen, ohne einen Einfluss
auf die Metallkomplexierung zu haben. Ihre ResponsivitÀt und ReversibilitÀt,
vereint mit der BiokompatibilitÀt von linearem Polyglycerol, machen diese
Hydrogele vielversprechend fĂŒr die zukĂŒnftige Verwendung in der temporĂ€ren
Zellverkapselung und der kontrollierten Zellfreisetzung. Als Alternative der
supramolekularen Vernetzung zur Herstellung von stimuli-responsiven
zellbeladenen Mikrogelen haben wir die kovalente Vernetzung in Kombination mit
abbaubaren Linkern verwendet. Hierzu wurde die tröpfchenbasierte Mikrofluidik
mit bioorthogonaler ThiolâEn Click-Chemie gekoppelt und es konnten mit
SĂ€ugetierzellen beladene Mikrogele hergestellt werden, in denen die
verkapselten Zellen exzellente Ăberlebensraten von ĂŒber 90% aufwiesen. In
diesem Ansatz wird die Tröpfchengelierung durch die nukleophile Michael-
Addition von PEG-dithiol- Makromonomeren und acrylierten hPG-Bausteinen
erreicht. Durch systematische Variation der mechanischen Eigenschaften der
Mikrogelpartikel wurde ihr Einfluss auf die ZellvitabilitÀt und die
Zellvermehrung untersucht. Desweiteren wurde ein Abbau der Mikrogelpartikel
aufgrund der Hydrolyse der Esterbindung nahe der Thioetherbindung in einem
Zeitraum von einigen Wochen beobachtet. Allerdings konnte dieser Abbau nicht
prĂ€zise gesteuert und eingestellt werden. Zur Ăberwindung dieser EinschrĂ€nkung
haben wir einen neuartigen Mikrogelbaukasten entwickelt, mit dem lebende
Zellen durch Vernetzung mit der spannungsvermittelten AzidâAlkin Zykloaddition
verkapselt und durch sÀurelabile Benzacetallinker im Polymernetzwerk wieder
freigesetzt werden können. Durch Ănderung des Substitutionsmusters der
Benzacetale kann die Kinetik des Mikrogelabbaus im interessanten pH-Bereich
von 4,5 bis 7,4 exakt gesteuert werden. Die verkapselten Zellen können in den
Mikrogelen unter vollstÀndiger Aufrechterhaltung ihrer VitabilitÀt kultiviert
werden und auch der darauffolgende Mikrogelabbau hat keine negativen
Auswirkungen auf die verkapselten und freigesetzten Zellen. Neben der
temporĂ€ren Zellverkapselung hat dieser Mikrogelbaukasten das Potential fĂŒr die
Stabilisierung und kontrollierte Freisetzung vieler anderer therapeutisch
wichtiger biologischer Systeme, wie z. B von Proteinen, Genen und sogar
Bakterien
Hybrid Polymer-Network Hydrogels with Tunable Mechanical Response
Hybrid polymer-network gels built by both physical and covalent polymer crosslinking combine the advantages of both these crosslinking types: they exhibit high mechanical strength along with excellent fracture toughness and extensibility. If these materials are extensively deformed, their physical crosslinks can break such that strain energy is dissipated and irreversible fracturing is restricted to high strain only. This mechanism of energy dissipation is determined by the kinetics and thermodynamics of the physical crosslinking contribution. In this paper, we present a poly(ethylene glycol) (PEG) based material toolkit to control these contributions in a rational and custom fashion. We form well-defined covalent polymer-network gels with regularly distributed additional supramolecular mechanical fuse links, whose strength of connectivity can be tuned without affecting the primary polymer-network composition. This is possible because the supramolecular fuse links are based on terpyridineâmetal complexation, such that the mere choice of the fuse-linking metal ion adjusts their kinetics and thermodynamics of complexationâdecomplexation, which directly affects the mechanical properties of the hybrid gels. We use oscillatory shear rheology to demonstrate this rational control and enhancement of the mechanical properties of the hybrid gels. In addition, static light scattering reveals their highly regular and well-defined polymer-network structures. As a result of both, the present approach provides an easy and reliable concept for preparing hybrid polymer-network gels with rationally designed properties
Tin(IV) Oxide Coatings from Hybrid Organotin/Polymer Nanoparticles
Tin dioxide coatings are widely applied in glasses and ceramics to improve not only optical, but also mechanical properties. In this work, we report a new method to prepare SnO2 coatings from aqueous dispersions of polymer/organotin hybrid nanoparticles. Various liquid organotin compounds were encapsulated in polymeric nanoparticles synthesized by miniemulsion polymerization. Large amounts of tetrabutyltin and bis(tributyltin) could be successfully incorporated in cross-linked and noncross-linked polystyrene nanoparticles that served as sacrificial templates for the formation of tin oxide coatings after etching with oxygen plasma or calcination. Cross-linked polystyrene particles containing bis(tributyltin)âselected for having a high boiling pointâwere found to be especially suited for the oxide coating formation. The content of metal in the particles was up to 12 wt %, and estimations by thermogravimetrical indicated that at least 96% of the total organotin compound was converted to SnO2. The resulting coatings were mainly identified as tetragonal SnO2 (cassiterite) by X-ray diffraction, although a coexistence of this phase with orthorhombic SnO2 was observed for samples prepared with bis(tributyltin)
Tin(IV) Oxide Coatings from Hybrid Organotin/Polymer Nanoparticles
Tin dioxide coatings are widely applied in glasses and ceramics to improve not only optical, but also mechanical properties. In this work, we report a new method to prepare SnO2 coatings from aqueous dispersions of polymer/organotin hybrid nanoparticles. Various liquid organotin compounds were encapsulated in polymeric nanoparticles synthesized by miniemulsion polymerization. Large amounts of tetrabutyltin and bis(tributyltin) could be successfully incorporated in cross-linked and noncross-linked polystyrene nanoparticles that served as sacrificial templates for the formation of tin oxide coatings after etching with oxygen plasma or calcination. Cross-linked polystyrene particles containing bis(tributyltin)\u2014selected for having a high boiling point\u2014were found to be especially suited for the oxide coating formation. The content of metal in the particles was up to 12 wt %, and estimations by thermogravimetrical indicated that at least 96% of the total organotin compound was converted to SnO2. The resulting coatings were mainly identified as tetragonal SnO2 (cassiterite) by X-ray diffraction, although a coexistence of this phase with orthorhombic SnO2 was observed for samples prepared with bis(tributyltin)
Single cell-laden protease-sensitive microniches for long-term culture in 3D
Single cell-laden three-dimensional (3D) microgels that can serve to mimic stem cell niches in vitro, and are therefore termed microniches, can be efficiently fabricated by droplet-based microfluidics. In this technique an aqueous polymer solution along with a highly diluted cell solution is injected into a microfluidic device to create monodisperse pre-microgel droplets that are then solidified by a polymer crosslinking reaction to obtain monodisperse single cell-laden microniches. However, problems limiting this approach studying the fate of single cells include Poisson encapsulation statistics that result in mostly empty microniches, and cells egressing from the microniches during subsequent cell culture. Here, we present a strategy to bypass Poisson encapsulation statistics in synthetic microniches by selective crosslinking of only cell-laden pre-microgel droplets. Furthermore, we show that we can position cells in the center of the microniches, and that even in protease-sensitive microniches this greatly reduces cell egress. Collectively, we present the development of a versatile protocol that allows for unprecedented efficiency in creation of synthetic protease-sensitive microniches for probing single stem cell fate in 3D