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Titel:Novel degradablepolymeric materials for biomedical and antibacterial applications
Autor:Zhang, Yi
Weitere Beteiligte: Agarwal, Seema (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2012
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2012/0925
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2012-09251
DOI: https://doi.org/10.17192/z2012.0925
DDC: Chemie
Titel(trans.):Design und Synthese von abbaubaren Polymeren für biomedizinische und antibakterielle Anwendungen

Dokument

Schlagwörter:
hydrogel, drug delivery, Biologischer Abbau, Wirkstofffreisetzung, Transfektion, biodegradable, DNA transfection, Hydrogel

Summary:
In dieser Arbeit wurden abbaubare Polymere für drei verschiedene Anwendungen designt, synthetisiert und charakterisiert: DNA-Transfektion, Wirkstofffreisetzungen und antibakterielle Materialien. Im ersten Teil der DNA-Transfektion wurden das neuartige abbaubare und biokompatible Poly(PEG-co-(BMDO-co-DMAEMA)) und das quaternisierte Poly(PEG-co-(BMDO-co-DMAEMA•EtBr)) erfolgreich synthetisiert und charakterisiert. Durch die Einführung eines hydrophilen PEG-Blocks in das Polymerrückgrat konnte die Löslichkeit des Polymers in Wasser deutlich verbessert werden. Zusätzlich führte der erfolgreiche Einbau von Estergruppen in das Copolymerrückgrat zu einem schnellen Abbau des Copolymers unter enzymatischen und Pufferbedingungen. Alle synthetisierten Copolymere zeigten eine niedrige Zytotoxizität. Die quaternisierten Copolymere besaßen höhere IC50-Werte mit L929 Zellen als die unquaternisierten Copolymere und lieferten positive Ergebnisse bei Versuchen zu den p-DNA-Transfektionen. Im zweiten Teil der DNA-Transfektionen wurde das abbaubare und biokompatible Poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA)) und das quaternisierte Polymer Poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA•EtBr)) mittels radikalischer Polymerisation unter Verwendung des PEG-Makro-Azoinitiators synthetisiert. Die PEG-Einheit in der Polymerkette führte zu einer Verbesserung der Löslichkeit des Polymers. Die Verwendung des reaktiveren MDO an Stelle von BMDO als Monomer führte zu einem höheren Anteil an Esterbindungen im Copolymer. Nach der Quaternisierung von Poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA)), zeigten die Polymere eine deutlich bessere Löslichkeit und Komplexierungseffizienz. Das biokompatible Polymer zeigte ein positives Ergebnis im Transfektionsexperiment in Gegenwart von Serum. Für die Wirkstofffeisetzung wurde ein biokompatibles, funktionales und abbaubares Polymer, welches auf HEMA basiert Poly(BMDO-co-HEMA), erfolgreich durch radikalische Polymerisation synthetisiert. Die Struktur des resultierenden Polymers und die Reaktionskinetik wurden in dieser Arbeit untersucht. Die Überlebensrate der Zellen war höher als 80%, selbst bei sehr hohen Polymerkonzentrationen (100 mg/ml). Das hydroxyl-funktionalisierte Polymer wurde hydrolytisch unter basischen Bedingungen abgebaut und zeigte Oberflächenerosion und Bulk-Abbau bei Verwendung von Makrophagen. Ein vielversprechendes positives Ergebnis wurde für die Verwendung solcher Polymere für Wirkstoffverkapselung festgestellt. Dieses neue, gut charakterisierte, biokompatible und abbaubare hydroxyl-funktionalisierte Polymer ist potenziell für viele verschiedene biomedizinische Anwendungen geeignet. Für die antibakterielle Anwendung wurde Poly(BMDO-co-HEMA-graft-DMAEMA) mit unterschiedlichen DMAEMA-Seitenkettenlängen unter Verwendung eines neuen Makro ATRP-Initiators synthetisiert. Eine hohe Wasseraufnahmefähigkeit dieses Copolymers konnte beobachtet werden. Bei höheren Temperaturen sowie einem niedrigeren pH-Wert zeigte das Polymers mit 43 wt.% DMAEMA an der Seitenkette die höchste Wasseraufnahmeeffizienz. Poly(BMDO-co-HEMA-graft-DMAEMA) zeigte eine hohe antibakterielle Aktivität gegen E. coli und bacililus subtilis bei Konzentrationen bis unter 31,25 µg/mL. Die zeitabhängigen antibakteriellen Tests ergaben eine antibakterielle Aktivität gegen E. coli von 99,9% innerhalb von 1 min. Dieses Polymer wies auch einen langsamen Abbau unter Kompostbedingungen auf.

Zusammenfassung:
In this thesis degradable polymers for three different purposes, DNA transfection, drug delivery and antibacterial properties were designed, synthesized and characterized. In the first part of the DNA transfection application the novel degradable and biocompatible poly(PEG-co-(BMDO-co-DMAEMA)) and its quaternized derivative poly(PEG-co-(BMDO-co-DMAEMA•EtBr)) were successfully synthesized and characterized. This copolymer shows a significant solubility improvement by introducing hydrophilic PEG blocks into the polymer backbone. The successful incorporation of ester linkages into the copolymer backbone led to a fast degradation of the copolymer under enzymatic and buffer conditions. All the synthesized copolymers show a low cytotoxicity. The unquaternized copolymers result in higher cell viability than the quaternized copolymers as well as positive results in p-DNA transfection. In the second part of the DNA transfection application degradable and biocompatible poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA)) and the quaternized derivative poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA•EtBr)) were obtained also via free radical polymerization using PEG macro azo initiator. The presence of the PEG unit in the polymer backbone led to great improvement of the polymer solubility. The more reactive MDO leads to a higher ester content in the copolymer than with BMDO as monomer. After quaternization of poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA), the solubility of the polymers as well as their complexation efficiencies were greatly improved. This highly biocompatible polymer shows a positive result in the gene transfection experiments in the presence of serum. For the drug delivery application, a biocompatible and degradable functional polymer which is based on HEMA could be successfully synthesized by radical polymerization. The structure of the resulting polymers and the reaction kinetics was studied in this work. The cell viabilities were over 80 % even for very high polymer concentrations (100 mg/ml). The hydroxyl functionalized polymers are hydrolytically degradable under basic conditions and also show surface erosion and bulk degradation upon treatment with macrophages. A promising positive result is demonstrated for the use of such polymers for drug encapsulation. This new, well characterized biocompatible and degradable hydroxyl functionalized polymer could be suitable for many different biomedical applications. For the antibacterial application, poly(BMDO-co-HEMA-graft-DMAEMA) with different DMAEMA side chain lengths was synthesized using a new macro ATRP initiator. A high water absorption ability of these copolymers can be observed. At higher temperature and lower pH the polymer with 43 wt.% of DMAEMA shows the highest water uptake efficiency. Poly(BMDO-co-HEMA-graft-DMAEMA) demonstrates great antibacterial activities against both E. coli and Bacillus Subtilis down to concentrations as low as 31.25 µg/mL. The time dependent antibacterial test shows that 99.9 % of the treated E. coli bacteria were killed within 1 minute. This polymer also presents slow degradation ability under compost condition.


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