Zugl.: München, Univ., Diss., 2009

Ulm, Univ. Diss., 2006.

Universiẗat, Diss., 2002--München.

Universiẗat, Diss., 2001--Mainz.

University, Diss., 2002--Tübingen. / Text. engl.

Univ., Diss., 2005--Frankfurt (Main) / Beitr. teilw. dt., teilw. engl.

University, Diss., 2005--Heidelberg.

In dieser Arbeit wurde die Kupfer(I)-katalysierte Cycloaddition von Alkinen und Aziden ("Click-Chemie") als effiziente, vielseitige und milde Reaktion für die Funktionalisierung von Nanodiamantpartikeln etabliert. Es wurden verschiedene Alkin- oder Azid-funktionalisierte Nanodiamantsysteme hergestellt und deren Reaktivität in Click-Reaktionen anhand vielfältiger Beispiele demonstriert. Hierzu wurden neben einfachen Testverbindungen auch komplexere Substanzen (z. B. ein Mannose-Derivat, Polytriazole, Fluoreszenzfarbstoffe, ein Thiazolium-Organokatalysator) durch Triazolsynthese immobilisiert. Zusätzlich wurde eine Methode entwickelt, die die Herstellung funktionalisierter und vollständig dispergierter Nanodiamant-Primärteilchen ermöglicht, wobei gezeigt wurde, dass dieser Weg auch für die Funktionalisierung durch Click-Chemie geeignet ist. Die Analyse der Nanodiamantpartikel erfolgte u. a. durch FT-IR, TGA, Elementaranalyse, Partikelgrößen- und Zetapotentialbestimmung, NMR, HR-TEM, UV / Vis sowie Fluoreszenzspektroskopie und -mikroskopie. / In this work, the copper(I)-catalyzed cycloaddition of alkynes and azides ("click chemistry") was established as an efficient, versatile and mild reaction for the functionalization of nanodiamond particles. Different alkyne- or azide-functionalized nanodiamond systems were prepared and their reactivity in click reactions was demonstrated by various examples. For this purpose, simple compounds as well as more complex substances (e. g. a mannose derivative, polytriazoles, fluorescent dyes, a thiazolium organocatalyst) were immobilized via triazole synthesis. In addition, a method was developed that allows for the preparation of functionalized and completely dispersed nanodiamond primary particles. It was shown that this strategy is also suitable for the functionalization via click chemistry. The nanodiamond particles were analyzed by FT-IR, TGA, elemental analysis, particle size and zeta potential measurements, NMR, HR-TEM, UV / Vis, fluorescence spectroscopy and microscopy.

The aim of this thesis was the application of the functional prepolymer NCO-sP(EO-stat-PO) for the development of new biomaterials. First, the influence of the star-shaped polymers on the mechanical properties of biocements and bone adhesives was investigated. 3-armed star-shaped macromers were used as an additive for a mineral bone cement, and the influence on the mechanical properties was studied. Additionally, a previously developed bone adhesive was examined regarding cytocompatibility. The second topic was the examination of novel functionalization steps which were performed on the surface of electrospun fibers modified with NCO-sP(EO-stat-PO). This established method of functionalizing electrospun meshes was advanced regarding the modification with proteins which was then demonstrated in a biological application. Two different kinds of antibodies were immobilized on the fiber surface in a consecutive manner and the influence of these proteins on the cell behavior was investigated. The final topic involved the quantification of surface-bound peptide sequences. By functionalization of the peptides with the UV-reactive molecule 2-mercaptopyridine it was possible to quantify this compound via UV measurements by cleavage of disulfide bridges and indirectly draw conclusions about the number of immobilized peptides. In the field of mineral biocements and bone adhesives, NCO-sP(EO-stat-PO) was able to influence the setting behavior and mechanical performance of mineral bone cements based on calcium phosphate chemistry. The addition of NCO-sP(EO-stat-PO) resulted in a pseudo-ductile fracture behavior due to the formation of a hydrogel network in the cement, which was then mineralized by nanosized hydroxyapatite crystals following cement setting. Accordingly, a commercially available aluminum silicate cement from civil engineering could be modified. In addition, it could be shown that the use of NCO-sP(EO-stat-PO) is beneficial for adjusting specific material properties of bone adhesives. Here, the crosslinking behavior of the prepolymer in an aqueous medium was exploited to form an interpenetrating network (IPN) together with a photochemically curing poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA) matrix. This could be used for the development of a bone adhesive with an improved adhesion to bone in a wet environment. The developed bone adhesive was further investigated in terms of possible influences of the initiator systems. In addition, the material system was tested for cytocompatibility by using different cell lines. Moreover, the preparation of electrospun fiber meshes via solution electrospinning consisting of poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) as a backbone polymer and NCO-sP(EO-stat-PO) as functional additive is an established method for the application of the meshes as a replacement of the native extracellular matrix (ECM). In general, these fibers reveal diameters in the nanometer range, are protein and cell repellent due to the hydrophilic properties of the prepolymer and show a specific biofunctionalization by immobilization of peptide sequences. Here, the isocyanate groups presented on the fiber surface after electrospinning were used to carry out various functionalization steps, while retaining the properties of protein and cell repellency. The modification of the electrospun fibers involved the immobilization of analogs or antagonists of tumor necrosis factor (TNF) and the indirect detection of these by interaction with a light-producing enzyme. Here, a multimodal modification of the fiber surface with RGD to mediate cell adhesion and two different antibodies could be achieved. After culturing the cell line HT1080, the pro- or anti-inflammatory response of cells could be detected by IL-8 specific ELISA measurements. Furthermore, the quantification of molecules on the surface of electrospun fibers was investigated. It was tested whether the detection by means of super-resolution microscopy would be possible. Therefore, experiments were performed with short amino acid sequences such as RGD for quantification by fluorescence microscopy. Based on earlier results, in which a UV-spectrometrically active molecule was used to detect the quantification of RGD, it was shown that short peptides can also be quantified in a small scale on flat functional substrates (2D) such as NCO-sP(EO-stat-PO) hydrogel coatings, and modified electrospun fibers produced from PLGA and NCO-sP(EO-stat-PO) (3D). In addition, a collagen sequence was used to prove that a successful quantification can be carried out as well for longer peptide chains. These studies have revealed that NCO-sP(EO-stat-PO) can serve as a functional additive for many applications and should be considered for further studies on the development of novel biomaterials. The rapid crosslinking reaction, the resulting hydrogel formation and the biocompatibility are to be mentioned as positive properties, which makes the prepolymer interesting for future applications. / Ziel der Arbeit war die Anwendung der funktionalen Präpolymere NCO-sP(EO-stat-PO) für die Entwicklung von neuen Biomaterialien. Als erstes wurde untersucht, welchen Einfluss die sternförmigen Polymere auf die mechanischen Eigenschaften von Biozementen und Knochenadhäsiven haben. Beispielsweise wurden 3-armige Macromere als Additive für einen mineralischen Knochenzement verwendet und dessen mechanische Eigenschaften untersucht. Außerdem wurde ein kürzlich entwickelter NCO-sP(EO-stat-PO) haltiger Knochenklebers auf Zytokompatibilität getestet. Ein zweites Kapitel beinhaltete die Modifikation von elektrogesponnenen Polymerfasern mit NCO-sP(EO-stat-PO) basierend auf einer etablierten Methode. Es wurde untersucht, welche weiteren Funktionalisierungen auf solchen Oberflächen vorgenommen werden können. Diese Modifizierungsschritte wurden in einer biologischen Anwendung demonstriert, indem verschiedene Antikörper aufeinanderfolgend auf der Faseroberfläche gebunden wurden. Der Einfluss dieser Proteine auf das Verhalten von Zellen auf diesen Oberflächen wurde untersucht. Als letztes wurde die Quantifizierung von oberflächengebundenen Peptidsequenzen demonstriert. Mittels Funktionalisierung der Peptide mit dem UV-reaktiven Molekül 2-Mercaptopyridin konnte durch Spaltung von Disulfidbrücken diese Verbindung UV-metrisch quantifiziert und indirekt Rückschlüsse auf die Anzahl der immobilisierten Peptide gezogen werden. Durch den Zusatz von NCO-sP(EO-stat-PO) konnten das Abbindeverhalten und die mechanischen Eigenschaften von mineralischen Calciumphosphat-Knochenzementen moduliert werden. Der Zusatz von 3-armigem, sternförmigem NCO-sP(EO-stat-PO) führte dabei zu einem pseudoduktilen Bruchverhalten durch Bildung eines Hydrogelnetzwerks im Zement, das anschließend durch die Zementreaktion mit nanoskaligem Hydroxylapatit mineralisiert wurde. Im Bereich mineralischer Knochenzemente und Adhäsive konnte gezeigt werden, dass NCO-sP(EO-stat-PO) zur Einstellung der Eigenschaften verwendet werden kann. Hierbei wurde dessen Quervernetzungsverhalten im wässrigen Medium ausgenutzt, um mit einer photochemisch härtenden Polyethylenglykoldimethakrylat (PEGDMA) Matrix interpenetrierende Netzwerke (IPNs) zu bilden. Diese konnten für die Entwicklung eines Knochenklebers mit verbesserter Haftung auf Knochen im feuchten Milieu genutzt werden. Das kürzlich entwickelte Knochenadhäsiv wurde im Hinblick auf den Einfluss des Initiatorsystems untersucht. Außerdem wurde die Zytokompatibilität des Materials anhand verschiedener Zelltypen getestet. Die Herstellung von elektrogesponnenen Faservliesen mittels Solution Electrospinning aus Polylactid-co-Glycolid (PLGA) als Gerüst-bildendem Polymer und NCO-sP(EO-stat-PO) als funktionalem Additiv ist eine etablierte Methode, um diese Vliese zur Nachbildung nativer Extrazellulär-Matrix anzuwenden. Die Fasern weisen einen Durchmesser im Nanometer-Bereich auf, sind proteinabweisend durch die hydrophilen Eigenschaften des Präpolymers und können durch Immobilisierung von Peptidsequenzen spezifisch biofunktionalisiert werden. Hierbei wurden die Isocyanate auf der Faseroberfläche genutzt, um verschiedenste Funktionalisierungsschritte unter Beibehaltung der protein- und zellabweisenden Eigenschaften auszuführen. Die Modifizierung der elektrogesponnenen Fasern beinhaltete die Immobilisierung von Analoga oder Antagonisten des Tumornekrosefaktors (TNF) sowie den indirekten Nachweis über eine Lichtreaktion. Hierbei konnte eine multimodale Modifizierung der Faseroberfläche mit RGD-Sequenzen zur Vermittlung der Zelladhäsion und zwei verschiedenen Antikörpern erreicht werden. Nach Kultivierung der Zelllinie HT1080 konnte die pro- oder antiinflammatorische Antwort der Zellen mittels IL-8 spezifischem ELISA nachgewiesen werden. Eine weitere Fragestellung war der Quantifizierung von Molekülen auf der Oberfläche von elektrogesponnen Fasern gewidmet. Es wurde getestet, ob ein Nachweis mittels hochauflösender Mikroskopie möglich ist. Hierzu wurden RGD-Sequenzen zur fluoreszenzmikroskopischen Quantifizierung verwendet. Basierend auf früheren Ergebnissen, bei denen für die Quantifizierung von RGD ein UV-aktives Molekül genutzt wurde, konnte gezeigt werden, dass sich kurze Peptide auch im kleinen Maßstab auf flachen Substraten (2D) wie Hydrogel-Beschichtungen aus NCO-sP(EO-stat-PO) als auch auf elektrogesponnenen Fasern aus PLGA und NCO-sP(EO-stat-PO) (3D) quantifizieren lassen. Außerdem wurde eine Kollagen-Sequenz als längere Peptidkette herangezogen, um auch hier eine erfolgreiche Quantifizierung zu beweisen. Es konnte gezeigt werden, dass NCO-sP(EO-stat-PO) als funktionales Additiv für viele Anwendungen dienen kann und für weitere Untersuchungen zur Entwicklung von Biomaterialien berücksichtigt werden sollte. Die schnelle Quervernetzungsreaktion, die resultierende Hydrogelbildung und die Biokompatibilität sind als positive Eigenschaften zu nennen, die das Präpolymer für zukünftige Anwendungen interessant macht.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2009