Supramolecular stimuli-responsive microgels crosslinked by tannic acid

• Supramolekulare stimuli-responsive Mikrogele vernetzt mit Tanninsäure

Molano López, Astrid Catalina; Pich, Andrij (Thesis advisor); Richtering, Walter (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Nach der Ära der revolutionären industriellen Entwicklungen hat unsere Gesellschaft die "grüne" Epoche erreicht, in der die Produktion von bioinspirierten Materialien ein primäres Ziel ist. Daher ermöglicht das Verständnis biologischer Prozesse auf molekularer Ebene großartige Möglichkeiten in der Forschung und leitet den Evolutionspfad der modernen Wissenschaft an. Ob in Nanometermaßstab oder im makroskopischen Größenordnungen, der Ursprung des Lebens basiert fast immer auf Selbstorganisation und hierarchischer Anordnung von Bausteinen. Diese Mechanismen und die Rolle, welche biologische Einheiten hierbei spielen, sind die Inspiration bei der Entwicklung neuartiger "smarter" Nanomaterialien für bio- und medizinische Anwendungen. Zusätzlich ist ebenfalls die Verwendung von Naturstoffen in der Materialwissenschaft erwünscht. Unter der großen Vielfalt vielversprechender Materialien haben Polymere bedeutende Eigenschaften in dieser Hinsicht gezeigt. Insbesondere haben Mikrogele, polymer-basierte kolloidale Netzwerke, aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber verschiedener Stimuli und Biokompatibilität, die von ihren Baueinheiten abhängen, ein enormes Interesse hervorgerufen. Hier spielt nicht nur das ausgewählte Monomer, sondern auch das Vernetzungsmittel eine entscheidende Rolle, insbesondere im Hinblick auf supramolekularem Design. Supramolekulare Polymer-basierte Materialien wurden in den letzten Jahren erfolgreich entwickelt und somit wurden bio-ähnliche Eigenschaften wie Adaptation, molekulare Erkennung und getriggerte Dissoziation ermöglicht. Im Hinblick auf supramolekulare Mikrogele gibt es jedoch nur wenige Veröffentlichungen, die alle mehrstufige Verfahren sowie komplexe Synthesen von supramolekularen Vorstufen implizieren. Aus diesen Gründen war das Hauptziel dieser Arbeit die Entwicklung von biobasierten supramolekularen Mikrogelen mit reversibler Vernetzung und schließlich deren Einsatz in Bio-Anwendungen. In dieser Arbeit wird eine einfache und optimierte Methode zur Herstellung supramolekularer sensitiver Mikrogele präsentiert, die aus thermoresponsivem und biokompatiblem Poly(N-vinylcaprolactam) (PVCL) und der bioaktiven natürlichen Polyphenol Tanninsäure (TA) bestehen. Die Fähigkeit von TA, Wasserstoffbrückenbindungen mit Polymerverbindungen zu bilden, ermöglicht den leichten Einbau dieses Makromoleküls als physikalischer Vernetzer innerhalb der Mikrogel-Synthese. Abhängig vom TA-Gehalt können die Mikrogel-Eigenschaften, wie chemische Zusammensetzung, Vernetzungsdichte und Größe gesteuert werden. Darüber hinaus weisen die PVCL/TA-Mikrogele neben Thermoresponsivität ein pH-sensitives Verhalten auf und können durch pH-gesteuerte Desintegration der nicht-kovalenten Bindungen leicht abgebaut werden. Diese Eigenschaft führt gleichzeitig zur kontrollierten TA-Freisetzung. Des Weiteren weist das pH-abhängige Verhalten der Mikrogele in Kombination mit der Komplexierungskapazität der eingebauten TA auf verschiedene interessante Anwendungen hin. Die supramolekularen Polyphenol-basierten Mikrogele wurden daher als attraktive pH-empfindliche Träger für den Transport bioaktiver Komponenten untersucht. An erster Stelle wurden die Nanomaterialien für den Transport von Metallionen (Fe3+) vorgeschlagen. Weiterhin wurden die PVCL/TA-Mikrogele als supramolekulare Container für den Einbau weiterer Phenol-Derivate und die Einkapselung antibakterieller bioaktiver Verbindungen eingesetzt. Hierbei wurde die antibakterielle Aktivität des multifunktionellen Systems vorläufig untersucht. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse bestätigten nicht nur, dass das entwickelte Mikrogel-System auf supramolekularer Anordnung beruht, sondern auch, dass es ein innovatives, biokompatibles Kompartiment für die Einkapselung von hydrophoben Komponenten in einem wasserbasierten Nanomaterial bietet. Das einzigartige Mikrogel stellt somit ein neuartiges biokompatibles System dar, welches an unterschiedliche Anwendungen und Bedürfnisse angepasst werden kann.