In this work, thermosensitive hydrogels having tunable thermo-mechanical properties were synthesized. Generally the thermal transition of thermosensitive hydrogels is based on either a lower critical solution temperature (LCST) or critical micelle concentration/ temperature (CMC/ CMT). The temperature dependent transition from sol to gel with large volume change may be seen in the former type of thermosensitive hydrogels and is negligible in CMC/ CMT dependent systems. The change in volume leads to exclusion of water molecules, resulting in shrinking and stiffening of system above the transition temperature. The volume change can be undesired when cells are to be incorporated in the system. The gelation in the latter case is mainly driven by micelle formation above the transition temperature and further colloidal packing of micelles around the gelation temperature. As the gelation
mainly depends on concentration of polymer, such a system could undergo fast
dissolution upon addition of solvent. Here, it was envisioned to realize a
thermosensitive gel based on two components, one responsible for a change in
mechanical properties by formation of reversible netpoints upon heating without
volume change, and second component conferring degradability on demand. As first
component, an ABA triblockcopolymer (here: Poly(ethylene glycol)-b-poly(propylene glycol)-b-poly(ethylene glycol) (PEPE) with thermosensitive properties, whose sol-gel transition on the molecular level is based on micellization and colloidal jamming of the formed micelles was chosen, while for the additional macromolecular component crosslinking the formed micelles biopolymers were employed. The synthesis of the hydrogels was performed in two ways, either by physical mixing of compounds showing electrostatic interactions, or by covalent coupling of the components. Biopolymers (here: the polysaccharides hyaluronic acid, chondroitin sulphate, or pectin, as well as the protein gelatin) were employed as additional macromolecular crosslinker to simultaneously incorporate an enzyme responsiveness into the systems. In order to have strong ionic/electrostatic interactions between PEPE and polysaccharides, PEPE was aminated to yield predominantly mono- or di-substituted PEPEs. The systems based on aminated PEPE physically mixed with HA showed an enhancement in the mechanical properties such as, elastic modulus (G′) and viscous modulus (G′′) and a decrease of the gelation temperature (Tgel) compared to the PEPE at same concentration.
Furthermore, by varying the amount of aminated PEPE in the composition, the Tgel of the system could be tailored to 27-36 °C. The physical mixtures of HA with di-amino PEPE (HA·di-PEPE) showed higher elastic moduli G′ and stability towards dissolution compared to the physical mixtures of HA with mono-amino PEPE
(HA·mono-PEPE). This indicates a strong influence of electrostatic interaction
between –COOH groups of HA and –NH2 groups of PEPE. The physical properties of HA with di-amino PEPE (HA·di-PEPE) compare beneficially with the physical properties of the human vitreous body, the systems are highly transparent, and have a comparable refractive index and viscosity. Therefore,this material was tested for a potential biological application and was shown to be
non-cytotoxic in eluate and direct contact tests. The materials will in the future be investigated in further studies as vitreous body substitutes. In addition, enzymatic degradation of these hydrogels was performed using hyaluronidase to specifically degrade the HA. During the degradation of these hydrogels, increase in the Tgel was observed along with decrease in the mechanical properties. The aminated PEPE were further utilised in the covalent coupling to Pectin and chondroitin sulphate by using EDC as a coupling agent. Here, it was possible to adjust the Tgel (28-33 °C) by varying the grafting density of PEPE to the biopolymer. The grafting of PEPE to Pectin enhanced the thermal stability of the hydrogel. The Pec-g-PEPE hydrogels were degradable by enzymes with slight increase in Tgel and decrease in G′ during the degradation time.
The covalent coupling of aminated PEPE to HA was performed by DMTMM as a
coupling agent. This method of coupling was observed to be more efficient compared to EDC mediated coupling. Moreover, the purification of the final product was performed by ultrafiltration technique, which efficiently removed the unreacted PEPE from the final product, which was not sufficiently achieved by dialysis. Interestingly, the final products of these reaction were in a gel state and showed enhancement in the mechanical properties at very low concentrations (2.5 wt%) near body temperature. In these hydrogels the resulting increase in mechanical properties was due to the combined effect of micelle packing (physical interactions) by PEPE and covalent netpoints between PEPE and HA. PEPE alone or the physical mixtures of the same components were not able to show thermosensitive behavior at concentrations below 16 wt%. These thermosensitive hydrogels also showed on demand solubilisation by enzymatic degradation. The concept of thermosensitivity was introduced to 3D architectured porous hydrogels, by covalently grafting the PEPE to gelatin and crosslinking with LDI as a crosslinker. Here, the grafted PEPE resulted in a decrease in the helix formation in gelatin chains and after fixing the gelatin chains by crosslinking, the system showed an enhancement in the mechanical properties upon heating (34-42 °C) which was reversible upon cooling. A
possible explanation of the reversible changes in mechanical properties is the strong physical interactions between micelles formed by PEPE being covalently linked to gelatin. Above the transition temperature, the local properties were evaluated by AFM indentation of pore walls in which an increase in elastic modulus (E) at higher temperature (37 °C) was observed. The water uptake of these thermosensitive architectured porous hydrogels was also influenced by PEPE and temperature (25 °C and 37 °C), showing lower water up take at higher temperature and vice versa. In addition, due to the lower water uptake at high temperature, the rate of hydrolytic degradation of these systems was found to be decreased when compared to pure gelatin architectured porous hydrogels. Such temperature sensitive architectured porous hydrogels could be important for e.g. stem cell culturing, cell differentiation and guided cell migration, etc.
Altogether, it was possible to demonstrate that the crosslinking of micelles by a macromolecular crosslinker increased the shear moduli, viscosity, and stability towards dissolution of CMC-based gels. This effect could be likewise be realized by covalent or non-covalent mechanisms such as, micelle interactions, physical interactions of gelatin chains and physical interactions between gelatin chains and micelles. Moreover, the covalent grafting of PEPE will create additional net-points which also influence the mechanical properties of thermosensitive architectured porous hydrogels. Overall, the physical and chemical interactions and reversible physical interactions in such thermosensitive architectured porous hydrogels gave a control over the mechanical properties of such complex system. The hydrogels showing change of mechanical properties without a sol-gel transition or volume change are especially interesting for further study with cell proliferation and
differentiation. / In der vorliegenden Arbeit wurden thermosensitive Hydrogele mit einstellbaren
thermo-mechanischen Eigenschaften synthetisiert. Im Allgemeinen basiert der
thermische Übergang thermosensitiver Gele auf einer niedrigsten kritischen
Löslichkeitstemperatur (LCST) oder kritischer Mizellkonzentration bzw. –temperatur(CMC/ CMT). Der temperaturabhängige Übergang von Sol zu Gel mit großer Volumenänderung wurde im ersten Fall bei thermosensitiven Hydrogelen beobachtet und ist vernachlässigbar für CMC/ CMT abhängige Systeme. Die Änderung des Volumens führt zum Ausschluss von Wassermolekülen, was zum Schrumpfen und Versteifen des Systems oberhalb der Übergangstemperatur führt. Die Volumenänderung kann unerwünscht sein, wenn Zellen in das Gel eingeschlossen
werden sollen. Die Gelierung im zweiten Fall beruht hauptsächlich auf der
Mizellbildung oberhalb der Übergangstemperatur und weiterem kolloidalem Packen
von Mizellen im Bereich der Gelierungstemperatur. Weil die Gelierung hauptsächlich von der Polymerkonzentration abhängt, kann sich das Gel bei Zugabe von Lösungsmittel leicht wieder lösen. Hier sollten thermosensitive Gele entwickelt werden, die auf zwei Komponenten beruhen. Eine Komponente sollte aus einem ABA-Triblockcopolymer mit thermosensitiven Eigenschaften bestehen, dem
Poly(ethylen glycol)-b-Poly(propylenglycol)-b-Poly(ethylen glycol) (PEPE), dessen Sol-Gel-Übergang auf Mizellierung und kolloidalem Jamming der gebildeten Mizellen basiert, und einer weiteren makromolekularen Komponente, einem Biopolymer, dass die Mizellen vernetzt. Auf diese Weise sollten thermosensitive Gele realisiert werden, die keine oder nur eine kleine Volumenänderung während der Änderung der mechanischen Eigenschaften zeigen, die stabiler gegenüber Verdünnung sein sollten als klassische Hydrogele mit einem CMC-basierten Übergang und die jedoch gezielt abgebaut werden können.
Die Hydrogele wurden auf zwei Arten vernetzt, entweder durch physikalisches
Vermischen, bei dem die Vernetzung durch elektrostatische Wechselwirkungen
erfolgte, oder durch kovalente Kopplung der beiden Komponenten. Als
makromolekulare Komponente zur Vernetzung der Mizellen wurden Biopolymere
(hier: die Polysaccharide Hyaluronsäure (HA), Chondroitinsulfat oder Pektin oder das Protein Gelatin) verwendet, um die Hydrogele enzymatisch abbaubar zu gestalten. Um eine starke ionische/elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem PEPE und den Polysachariden zu erzielen, wurde PEPE aminiert, um hauptsächlich
monoaminiertes bzw. diaminiertes PEPE einsetzen zu können. Die Gele, die auf der
physikalischen Mischung von aminierten PEPE mit HA bestehen, zeigten im
Vergleich zu PEPE bei gleicher Konzentration eine Zunahme der mechanischen
Eigenschaften, wie beispielsweise dem elastischem Modulus (G′) und dem
Viskositätsmodulus (G′′) bei gleichzeitiger Abnahme der Gelierungstemperatur (Tgel). Durch Variation des Gehalts an aminierten PEPE-, konnte die Tgel in einem Bereich von 27-36 °C eingestellt werden. Interessanterweise zeigten die physikalischen Mischungen mit diaminierten PEPE (HA·di-PEPE) höhere mechanische
Eigenschaften (elastischer Modulus G′) und eine höhere Stabilität gegenüber
Verdünnungseffekten als Mischungen mit monoaminiertem PEPE (HA·mono-PEPE).
Dies zeigt den starken Einfluss der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen
der Carboxylgruppe der HA und der Amingruppe von PEPE. Die physikalischen
Eigenschaften HA·di-PEPE sind vergleichbar mit den physikalischen Eigenschaften
des Glaskörpers im Auge hinsichtlich Transparenz, Brechungsindex und Viskosität.
Deswegen wurde das Material hinsichtlich seiner biologischen Anwendung getestet
und zeigte sich sowohl im Überstand als auch im direkten Kontakt als nichtzytotoxisch.
Zukünftig wird dieses Material in weiteren Untersuchungen bezüglich
seiner Eignung als Glaskörperersatz geprüft werden. Zusätzlich konnte der
enzymatische Abbau der Hydrogele mit Hyaluronidase gezeigt werden, die spezifisch HA abbaut. Beim Abbau der Hydrogele stieg Tgel bei gleichzeitiger Abnahme der mechanischen Eigenschaften. Aminiertes PEPE wurde zusätzlich zur kovalenten Bindung unter Verwendung von EDC als Aktivator an Pektin und Chondroitinsulfat eingesetzt. Tgel konnte auf 28 – 33 °C eingestellt werden durch Variation der Pfropfungsdichte am Biopolymer bei gleichzeitiger Zunahme der thermischen Stabilität. Die Pec-g-PEPE Hydrogele waren enzymatisch abbaubar, was zu einer leichten Erhöhung von Tgel und zu einer Abnahme von G′ führte. Die kovalente Bindung der aminierten PEPE an HA erfolgte unter Verwendung von DMTMM als Aktivator, der sich in diesem Fall als effektiver als EDC herausstellte. Die Reinigung mittels Ultrafiltration führte zu einer deutlich besseren Aufreinigung des Produkts als mittels Dialyse. Die gegrafteten Systeme waren in Nähe der Körpertemperatur bereits im Gelstadium und zeigten eine Erhöhung der mechanischen Eigenschaften bereits bei sehr geringen Konzentrationen von 2.5Gew.%. Die höheren mechanischen Eigenschaften dieser Hydrogele erklären sich durch die Kombination der Mizellbildung (physikalische Wechselwirkung) des PEPE und der Bildung kovalenter Netzpunkte zwischen PEPE und HA. PEPE bzw.
entsprechende physikalische Mischungen derselben Komponenten zeigten kein
thermosensitives Verhalten bei einer Konzentration unterhalb von 16 Gew%. Diese
thermosensitiven Hydrogele zeigten auch eine Löslichkeit auf Abruf durch
enzymatischen Abbau. Das Konzept der Thermosensitivität wurde in 3D strukturierte, poröse Hydrogele (TArcGel)eingeführt, bei dem PEPE kovalent an Gelatin gebunden wurde und mit LDI vernetzt wurde. Das gepfropfte PEPE führte zu einer Erniedrigung der Helixbildung der Gelatinketten. Nach Fixierung der Gelatinketten durch Vernetzung zeigte das System eine Erhöhung der mechanischen Eigenschaften bei Erwärmung (34-42 °C). Dieses Phänomen war reversibel beim Abkühlen. Eine mögliche Erklärung der reversiblen Änderungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften sind die starken physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Mizellen des PEPE, die kovalent an Gelatin gebunden wurden. Ferner wurde durch AFM Untersuchungen festgestellt, dass bei Temperaturerhöhung (37 °C) die örtlichen elastischen Moduli (E) der Zellwände zugenommen haben. Zusätzlich wurde die Wasseraufnahme der TArcGele durch PEPE und die Temperatur (25 °C und 37 °C) beeinflusst und zeigte eine niedrigere Wasseraufnahme bei höherer Temperatur und umgekehrt. Durch die niedrigere Wasseraufnahme bei hohen Temperaturen erniedrigte sich die Geschwindigkeit des hydrolytischen Abbaus im Vergleich zu dem strukturierten Hydrogel aus reiner Gelatin. Diese temperatursensitiven ArcGele könnten bedeutsam sein für Anwendungen im Bereich Stammzellkultivierung, Zelldifferenzierung und gerichteter Zellmigration.
Zusammenfassend konnte bei den thermosensitiven Hydrogelen gezeigt werden,
dass die Vernetzung von Mizellen mit einem makromolekularen Vernetzer die
Schermoduli, Viskosität und Löslichkeitsstabilität im Vergleich zu reinen ABATriblockcopolymeren mit CMC-Übergang erhöht. Dieser Effekt konnte durch
kovalente und nichtkovalente Mechanismen, wie beispielsweise Mizell-
Wechselwirkungen, physikalische Interaktionen von Gelatinketten und physikalische Interaktionen von Gelatinketten und Mizellen, realisiert werden. Das Pfropfen von PEPE führte zu zusätzlichen Netzpunkten, die die mechanischen Eigenschaften der thermosensitiven architekturisierten, porösen Hydrogele beeinflussten. Insgesamt ermöglichten die physikalischen und chemischen Bindungen und die reversiblen physikalischen Wechselwirkungen in den strukturierten, porösen Hydrogelen eine Kontrolle der mechanischen Eigenschaften in diesem sehr komplexen System. Die Hydrogele, die eine Veränderung ihrer mechanischen Eigenschaften ohne Volumenänderung oder Sol-Gel-Übergang zeigen sind besonders interessant für Untersuchungen bezüglich Zellproliferation und –differenzierung.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:6979 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Santan, Harshal Diliprao |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Chemie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/ |
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