Multifunctional nanogels for biomedical applications

Hildebrandt, Haika; Möller, Martin (Thesis advisor); Groll, Jürgen (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese, Funktionalisierung und Charakterisierung von Nanogelen für biomedizinische Anwendungen. Zur Herstellung der Nanogele wurden zwei unterschiedliche Syntheseverfahren untersucht. Die erste Methode beruht auf der Herstellung durch Selbstorganisation in Wasser, während der zweite Ansatz die Synthese in inverser Miniemulsion anwendet. In beiden Fällen wurden die Nanogele durch Vernetzung eines sechsarmigen, sternförmigen Präpolymers mit Isocyanat-Endgruppen (NCO-star-(PEO-co-PPO)) hergestellt. Das Präpolymer-Rückgrat bestand aus einem statistischen Copolymerisat von Ethylenoxid und Propylenoxid im Verhältnis 4:1 und besaß ein Molekulargewicht von 12 kDa. Reaktive Isocyanat-Endgruppen wurden durch Umsetzung mit Isophorondiisocyanat (IPDI) eingeführt. Die Synthese erfolgte in einem lösungsmittel- und katalysatorfreien Verfahren. Das amphiphile Polymerrückgrat in Kombination mit den Isocyanat-Endgruppen ermöglichte die Synthese von vernetzten Partikeln durch reaktive Selbstorganisation in Wasser. Die so hergestellten Partikel erwiesen sich gegenüber Verdünnung und äußeren Einflüssen wie Salzen, Puffer und Temperatur¬veränderungen als stabil. Durch die Anfangs¬konzentration des Präpolymers konnte die Größe der Nanogele gesteuert werden. Die Isocyanat-Endgruppen erlaubten nicht nur eine kovalente Vernetzung des Präpolymers, sondern auch eine Modifikation mit Targeting-Peptiden. In vitro-Studien mit HeLa-Zellen belegten, dass die Nanogele zytokompatibel waren. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine spezifische Aufnahme der peptid-funktionalisierten Nanogele erfolgte. Im Hinblick auf die Verkapselung von Arzneimitteln zur gezielten Wirkstofffreisetzung wurde der Einbau einer hydrophoben Modellverbindung erfolgreich nachgewiesen. Zusätzlich konnten durch die Einbettung von Eisenoxid-Nanopartikeln in das Nanogel Hybridpartikel hergestellt werden. Die Synthese monodisperser Magnetitteilchen erfolgte durch thermische Zersetzung von Eisen (III) acetylacetonat (Fe(acac)3). Die hydrophoben, mit Ölsäure beschichteten Teilchen wurden in Toluol mit NCO-star-(PEO-co-PPO) beschichtet und in Wasser überführt, wo die Nanogelbildung stattfand. Die wässrigen Dispersionen waren mehr als ein Jahr stabil. TEM-Untersuchungen zeigten, dass die Magnetitteilchen als isolierte Teilchen eingebettet waren. Magnetresonanztomographie-Studien, die auf einem Nanogel-beschichteten Netz durchgeführt wurden, verdeutlichten das Potential der Nanogele als Kontrastmittel eingesetzt werden zu können. Targeting-Peptide und Markierungs-Tags konnten über einen Maleimid-Linker immobilisiert werden. In Versuchen mit Huvec-Zellen erwiesen sich die Hybridpartikel als cytokompatibel. Die selektive Aufnahme wurde durch verschiedene Targeting-Peptide in hCMEC-, hDEMC- und Huvec-Zellen induziert. Nanogele konnten auch durch Polyaddition in inverser Miniemulsion hergestellt werden. Da die Reaktion von Isocyanaten mit Wasser sehr langsam verläuft, wurden verschiedene Diamine als Vernetzer eingesetzt. Diese beschleunigten die Reaktion und führten zu monodispersen Nanogelen, die ein Replikat des Tröpfchens darstellten. Die Größe der kolloidalen Partikel konnte durch die Menge der Emulgatoren Span 80 und Tween 80 gesteuert werden. Biologisch abbaubare Nanogele wurden unter Verwendung von Cystamin als Vernetzungsmittel erhalten. Die Disulfidbindung konnte durch Zugabe eines Reduktionsmittels gespalten werden. Eine leichte Immobilisierung von Markierungsliganden war sowohl in situ als auch nach der Nanogelsynthese möglich. Darüber hinaus konnte der Einbau von anorganischen Magnetitteilchen bewirkt werden. Weiterhin wurde die Synthese von Poly(t-butylglycidylether) -b-poly(ethylenglykol) -b-poly (t-butylglycidylether) Triblockcopolymeren und deren Verwendung als Emulgator zur Herstellung von Nanogelen in inverser Miniemulsion untersucht. Die Copolymere wurden durch lebende anionische Polymerisation von tert-Butylglycidylether unter Verwendung von Polyethylenglykol als Makroinitiator hergestellt. Die Verwendung dieser Copolymere als Emulgatoren führte zu stabilen Emulsionen mit kleiner Tröpfchengröße. Aufgrund dessen konnten auch in diesem Fall Nanogele als Replikat der Emulsionströpfchen hergestellt werden.