The objective of this thesis was the synthesis and characterisation of two linear multifunctional PEG-alternatives for bioconjugation and hydrogel formation: i) Hydrophilic acrylate based copolymers containing peptide binding units and ii) hydrophilic polyether based copolymers containing different functional groups for a physical crosslinking.
In section 3.1 the successful synthesis of water soluble and linear acrylate based polymers containing oligo(ethylene glycol) methyl ether acrylate with either linear thioester functional 2-hydroxyethyl acrylate, thiolactone acrylamide, or vinyl azlactone via the living radical polymerisation technique Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) and via free-radical polymerisation is described. The obtained polymers were characterized via GPC, 1H NMR, IR and RAMAN spectroscopy.
The RAFT end group was found to be difficult to remove from these short polymer chains and accordingly underwent the undesired side reaction aminolysis with the peptide during the conjugation studies. Besides that, polymers without RAFT end groups did not show any binding of the peptide at the thioester groups, which can be improved in future by using higher reactant concentrations and higher amount of binding units at the polymer. Polymers containing the highly reactive azlactone group showed a peptide binding of 19 %, but unfortunately this function also underwent spontaneous hydrolysis before the peptide could even be bound. In all cases, oligo(ethylene glycol) methyl ether acrylate was used with a relatively high molecular weight (Mn = 480 Da) was used, which eventually was efficiently shielding the introduced binding units from the added peptide. In future, a shorter monomer with Mn = 300 Da or less or hydrophilic N,N’-dialkyl acrylamide based polymers with less steric hindrance could be used to improve this bioconjugation system. Additionally, the amount of monomers containing peptide binding units in the polymer can be increased and have an additional spacer to achieve higher loading efficiency.
The water soluble, linear and short polyether based polymers, so called polyglycidols, were successfully synthesized and modified as described in section 3.2. The obtained polymers were characterized using GPC, 1H NMR, 31P{1H} NMR, IR, and RAMAN spectroscopy. The allyl groups which were present up to 20 % were used for radical induced thiol-ene chemistry for the introduction of functional groups intended for the formation of the physically crosslinking hydrogels. For the positively charged polymers, first a chloride group had to be introduced for the subsequent nucleophilic substitution with the imidazolium compound. There, degrees of modifications were found in the range 40-97 % due to the repulsion forces of the charges, decreased concentration of active chloride groups, and limiting solution concentrations of the polymer for this reaction. For the negatively charged polymers, first a protected phosphonamide moiety was introduced with a deprotection step afterwards showing 100 % conversion for all reactions. Preliminary hydrogel tests did not show a formation of a three-dimensional network of the polymer chains which was attributed to the short backbone length of the used polymers, but the gained knowledge about the synthetic routes for the modification of the polymer was successfully transferred to longer linear polyglycidols. The same applies to the introduction of electron rich and electron poor compounds showing π-π stacking interactions by UV-vis spectroscopy.
Finally, long linear polyglycidyl ethers were synthesised successfully up to molecular weights of Mn ~ 30 kDa in section 3.3, which was also proven by GPC, 1H NMR, IR and RAMAN spectroscopy. This applies to the homopolymerisation of ethoxyethyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether and their copolymerisation with an amount of the allyl compound ~ 10 %. Attempts for higher molecular weights up to 100 kDa showed an uncontrolled polymerisation behaviour and eventually can be improved in future by choosing a lower initiation temperature. Also, the allyl side groups were modified via radical induced thiol-ene chemistry to obtain positively charged functionalities via imidazolium moieties (85 %) and negatively charged functionalities via phosphonamide moieties (100 %) with quantitative degree of modifications. Hydrogel tests have still shown a remaining solution by using long linear polyglycidols carrying negative charges with long/short linear polyglycidols carrying positive charges. The addition of calcium chloride led to a precipitate of the polymer instead of a three-dimensional network formation representing a too high concentration of ions and therefore shielding water molecules with prevention from dissolving the polymer. These systems can be improved by tuning the polymers structure like longer polymer chains, longer spacer between polymer backbone and charge, and higher amount of functional groups.
The objective of the thesis was partly reached containing detailed investigated synthetic routes for the design and characterisation of functional polymers which could be used in future with improvements for bioconjugation and hydrogel formation tests. / Das Ziel dieser Arbeit war es zwei lineare multifunktionale PEG-Alternativen für die Bioconjugation und Hydrogelbildung herzustellen und zu charakterisieren: i) Wasserlösliche Acrylat-basierte Copolymere mit Peptidbindungseinheiten und ii) wasserlösliche Polyether-basierte Copolymere mit verschiedenen funktionalen Gruppen für eine physikalische Vernetzung.
In Abschnitt 3.1 wurde die erfolgreiche Synthese von wasserlöslichen und linearen Acrylat-basierten Polymeren, die Oligo(ethylen glycol) methyl ether acrylat mit jeweils 2-Hydroxyethyl acrylate modifiziert mit linearem Thioester, Thiolactonacrylamid und Vinylazlacton enthielten, mittels der lebenden Polymerisationstechnik Reversible Additions-Fragmentierungs Kettenübertragung (RAFT) und mittels freier radikalischer Polymerisation durch GPC, 1H NMR, IR und RAMAN Spektroskopie bewiesen. Es erwies sich als schwer die RAFT-Endgruppe von den kurzen Polymerketten zu entfernen und führte zur Nebenreaktion Aminolyse mit dem Peptid während des Konjugationsprozesses. Außerdem zeigten Polymere ohne RAFT-Endgruppen keine Peptidbindung an den Thioestergruppen, was durch höhere Konzentration der Reaktanten und größeren Anteil an Peptidbindungseinheiten am Polymer in Zukunft verbessert werden könnte. Polymere mit Azlaktongruppen zeigten eine Bindung von 19 %, wobei dies eine sehr reaktive Gruppe ist und vor der Peptidbindung noch hydrolysieren kann. In allen Fällen wurde Oligo(ethylen glycol) methyl ether acrylat mit Mn = 480 Da verwendet, welches die Peptidbindungsstellen abschirmen kann. Daher können in Zukunft Monomere mit Mn = 300 Da oder N,N’-Dialkylacrylamid-basierte Monomere mit weniger sterischer Hinderung für dieses System verwendet werden. Zusätzlich kann der Anteil an Monomeren mit Peptidbindungseinheiten im Polymer und zusätzlicher Seitenkette erhöht werden, um höhere Bindungseffektivitäten zu erreichen.
Die erfolgreiche Synthese und Modifikation von wasserlöslichen, linearen und kurzen Polyether-basierten Polymeren, sogenannten Polyglycidolen, konnte in Abschnitt 3.2 mittels GPC, 1H NMR, 31P{1H} NMR, IR und RAMAN Spektroskopie bewiesen werden. Die Allylgruppe, die bis zu 20 % vorhanden war, wurde für die radikalisch induzierte Thiol-En Chemie zur Einführung von funktionellen Gruppen verwendet. Für die positiv geladenen Polymere, wurde zuerst eine Chloridgruppe generiert, die anschließend für die nukleophile Substitution mit einer Imidazolkomponente verwendet wurde. Dabei wurden Substitutionsgrade von 40-97 % gefunden, was an den Abstoßungskräften der Ladungen, verringerter Konzentration der aktiven Chloridgruppen und der begrenzten Löslichkeitskonzentration bei dieser Reaktion liegt. Für die negativ geladenen Polymere wurde zuerst eine geschützte Phosphonamidgruppe eingeführt, die anschließend entschützt wurde und bei allen Reaktionen einen Umsatz von 100 % zeigte. Vorläufige Hydrogeltests zeigten keine Bildung eines dreidimensionales Netzwerks der Polymerketten aber es wurden Erkenntnisse über die synthetischen Routen für die Modifikation der Polymere für den Transfer auf lange lineare Polyglycidole gewonnen. Das gleiche gilt für die Einführung von elektronreichen und elektronarmen Komponenten, die eine π-π Stapelwechselwirkung mittels UV-vis Spektroskopie zeigte.
Letztlich wurden lange lineare Polyglycidole bis zu Molmassen von Mn ~ 30 kDa erfolgreich in Abschnitt 3.3 hergestellt und mittels GPC, 1H NMR, IR and RAMAN Spektroskopie bewiesen. Dies gilt für die Homopolymerisation von Ethoxyethyl glycidyl ether, Ally glycidyl ether und deren Copolymerisation mit einem Anteil der Allylkomponente von ~ 10 %. Versuche um höhere Molekulargewichte bis zu 100 kDa zeigten ein unkontrolliertes Polymerisationsverhalten, welches durch eine niedrigere Initiierungstemperatur weiter verbessert werden kann. Ebenso wurden die Allylseitengruppen mittels radikalisch induzierter Thiol-En Chemie modifiziert, um positivgeladene Funktionalitäten durch Imidazolgruppen (85 %) und negativgeladene Funktionalitäten durch Phosphonamidgruppen (100 %) in quantitativen Umsätzen einzuführen. Hydrogeltests von langen linearen Polyglycidolen, die negativ geladene Gruppen haben, mit langen/kurzen linearen Polyglycidolen, die positiv geladene Gruppen haben, haben eine verbleibende Lösung gezeigt. Die Zugabe von Calciumchlorid führte zum Ausfall des Polymers anstatt zu einem dreidimensionalen Netzwerk repräsentiert durch eine zu hohe Ionenkonzentration. Dies führte zu einer Abschirmung der Wassermoleküle vom Polymer und verhinderte, dies aufzulösen. Das System kann verbessert werden, indem die Polymerstruktur variiert wird, z.B. durch längere Polymerketten, größere Abstände zwischen Polymerhauptkette und Ladung und einen größeren Anteil an funktionellen Gruppen.
Das Ziel der Arbeit wurde teilweise erreicht, welches detailliert untersuchte Syntheserouten für das Design und die Charakterisierung von funktionellen Polymeren beinhaltet, welche in Zukunft mit Verbesserungen für Bioconjuations- und Hydrogelformulierungstests verwendet werden können.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:27873 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Smolan, Willi |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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