Synthesis and characterization of polymer-linker systems for T-cell activatioc

Abstract

Kurzfassung Im Bereich der biomedizinischen Anwendungen, wurde die Herstellung und das Design von Polymer-brushes in letzter Zeit sehr attraktiv, da diese, spezielle Fähigkeiten und eine Vielzahl an wichtigen architektonischen Eigenschaften kontrollieren können. Polymer-brushes werden verwendet um spezielle Biointerfaces und Anwendungen im Nanotechnologiebereich zu realisieren. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Strategie für ein Polymer-Linker-System auf Glassubstraten erstellt, um T-Zellen Aktivierung zu ermöglichen. Endgruppen-funktionalisierte Polymer-brushes sollten eine mögliche Kupplung mit Biomolekülen ermöglichen. Für die Implementierung eines solchen Biointerface-Systems wurde als Methode die sogenannte oberflächeninduzierte Reversible Additions-Fragmentierungs Kettenübertragungs (RAFT) Polymerisation gewählt, da diese Methode bestimmte Vorteile mit sich bringt, wie milde Polymerisationsbedingungen, Abwesenheit von toxischen Katalysatoren, ein breites Spektrum an möglichen Endgruppen-Modifikationen, einheitliche Kettenlängen und definierte Molekulargewichte. Als biokompatible Monomere in diesem System wurden N-Acryloylmorpholin (NAM) und Methoxypropylacrylamid (MPAA) verwendet. Kinetische Studien wurden mit diesen Monomeren und den RAFT Reagenzien 4-Cyano-4-[(dodecylsulfanylthiocarbonyl)-sulfanyl]pentansäure (CDTPA) und 2-(Dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methyl-propionsäure (DDMAT) durchgeführt, welche im ersten Schritt gemäß der Literatur synthetisiert wurden. Beide RAFT Reagenzien zeigten hohe Monomerumsätze in kurzen Polymerisationszeiten. Die hergestellten Polymere polyNAM und polyMPAA wurden anschließend auf ihre Morphologie in wässriger Umgebung mittels Lichtstreumethoden und Kleinwinkelröntgenstreuung untersucht, um ihre Anordnung bei Verwendung als Polymer-brushes vorherzusagen. Es wurde herausgefunden, dass beide Polymere fadenähnliche Aggregate in Wasser und in PBS Puffer Lösung formten. Studien zur Endgruppen-Modifizierung von polyNAM und polyMPAA wurden durchgeführt, mittels Aminolyse und Radikal-induzierter Endgruppen-Modifizierung. Es wurde herausgefunden, dass die radikalisch induzierte Endgruppen-Modifizierung mit 4,4'-Azobis(4-cyanovaleriansäure) mit guten Umsätzen funktionierte und leicht durchzuführen war. Für das Pfropfpolymerisieren auf der Glasoberfläche wurden weitere Studien durchgeführt. Zwei Methoden wurden getestet: Die erste war die Immobilisierung von Aminopropyltriethoxysilan (APTES) auf der Glasoberfläche mit anschließender Kupplung zu einem RAFT Reagenz, die zweite war die Immobilisierung eines mit APTES gekuppelten RAFT Reagenzes auf die Oberfläche. Diese Modifizierungen wurden mittels Kontaktwinkel (CA) Messungen, totaler interner Reflexion Fluoreszenz Mikroskopie (TIRFM), Ellipsometrie und Röntgen Photoelektronen Spektroskopie charakterisiert. Mit den Erkenntnissen aus diesen Funktionalisierungsversuchen kann in Zukunft ein geeignetes Polymer-brush System realisiert werden.

Abstract In the field of biomedical application, the generation and design of polymer brushes became very attractive due to their ability to control a number of important architectural features1 for the creation of particular biointerfaces2-4 and applications in nanotechnologies4-6. In the course of this thesis, a strategy for a polymer linker system on glass substrates for T-cell activation was established, in form of end-group functionalized polymers designed for the coupling to biomolecules. For the implementation of this polymer brush system, surface-induced reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization was selected, delivering gentle polymerization conditions, absence of toxic catalysts, a variety of possible end-group modifications, uniform chain lengths and defined molecular weights. Acryloylmorpholine (NAM)7 and methoxypropylacrylamide (MPAA)8 were chosen as biocompatible monomers. Kinetic studies were performed on the RAFT polymerization of these monomers using 4-cyano-4-(((dodecylthio) carbonothioyl)thio)pentanoic acid (CDTPA) and 2-(((dodecylthio)carbonothioyl)thio)-2-methylpropanoic acid (DDMAT) as RAFT reagents, which were synthesized in the first step according to literature. Both RAFT reagents showed high monomer conversions within short polymerization times. The generated polymers pNAM and pMPAA were investigated on their morphology in aqueous environment with light scattering methods and small angle X-ray scattering, to predict their arrangement in a polymer brush system. It was found out that both polymers formed worm-like shaped aggregates in water and PBS buffer solution. Studies on end-group modification of pNAM and pMPAA polymers were performed by aminolysis and radical induced end-group formation. It proved, that radical induced end-group formation with 4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid) performed in good yields and was easy to establish. For the grafting of the polymers from glass substrates by surface immobilized RAFT reagents, further studies were performed. Two approaches were tested: First, to immobilize aminopropyl triethoxysilane (APTES) on the glass surface and then couple the RAFT reagent onto it, second, to immobilize APTES modified RAFT reagents to the surface. These modifications were monitored by contact angle (CA) measurement, total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM), ellipsometry and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). With knowledge gained from these functionalization experiments, a future system for surface induced RAFT polymerization of a suitable polymer brush system will be possible.