Using Light for Degradation: Photo-induced Scission of Monomers and Initiators for Biocompatible Polymers

Abstract

Radikalische Photopolymerisation ist eine innovative Methode zur Materialherstellung mit Anwendungen, die von Beschichtungen und additiver Fertigung bis hin zu Gewerberekonstruktion und Zahnmedizin reichen. Obwohl sie von schnellen und lösungsmittelfreien Aushärtungsverfahren profitiert, steht sie derzeit aufgrund der schlechten Biokompatibilität und langsamen Abbaubarkeit der jeweiligen Photoinitiatoren, Monomere und Photopolymere unter ökologischer und gesundheitlicher Beobachtung. Die Umstellung der Photopolymerisation auf biokompatiblere Systeme erfordert Innovation für jede Komponente des Harzes, insbesondere zur Verbesserung der Materialauswahl und der Weiterentwicklung des Photoinitiator-Designs. Diese Arbeit untersucht zwei Ansätze zur Entwicklung biokompatibler Systeme, beginnend mit orthogonal photospaltbaren Hydrogelen auf Disulfidbasis zur Verwendung in biomedizinischen Anwendungen, wie z. B. der Mikrofluidik. Die Vernetzung wurde hierbei unter UV-Licht und die Photospaltung mittels Zwei-Photonen Laser durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden neue Konzepte für die Thiol-En Photokonjugation von Norbornen-modifiziertem Polyvinylalkohol entwickelt und ein Disulfid Vernetzer mit Thiol Endgruppen untersucht, der bei niedrigen Radikalkonzentrationen photopolymerisiert. Erst unter sensibilisierter Zweiphotonen Bestrahlung wurden die Disulfidgruppen über eine radikalinduzierte Reaktion gespalten. Zusätzlich wurde er Einfluss einer stabilisierenden Gelatine Matrix untersucht, wobei sowohl physikalische als auch chemische Einbindung des Subnetzwerks geprüft und deren Wirkung auf thermische und hydrolytische Stabilität ermittelt wurde. Im zweiten Teil der Arbeit wurden neuartige Konzepte für radikalische Photoinitiatoren untersucht, da die Mehrheit der kommerziell erhältlichen Initiatoren Benzoyl-Chromophore enthält, die toxische Photolyseprodukte erzeugen. Hierbei wurden vollständig aliphatische und multifunktionelle Photoinitiatoren, die auf der α-Ketoester Struktur basieren, sorgfältig konzipiert, um die für die UV-induzierte Photopolymerisation erforderlichen Absorptions eigenschaften zu erfüllen. Die aliphatischen Strukturen wurden hinsichtlich ihrer Photoreaktivität, ihres Gelierungsverhaltens und ihrer Biokompatibilität getestet. Die leistungsstärksten Systeme erwiesen sich als hochreaktive und biokompatible Alternativen im Vergleich zu den aromatischen Gegenstücken. Zusätzlich zeigten aliphatische, auf α Ketoester basierende Photoinitiatoren eine ausgezeichnete Mischbarkeit in einer Vielzahl von organischen und wasserbasierten Monomeren, die kombiniert mit geringer Verfärbung, eine Verwendung in lithografischen Techniken, einschließlich der UV-Nanoimprint-Lithographie und des 3D-Drucks, ermöglichte.

Radical photopolymerization is an innovative material production method with applications spanning from coatings and additive manufacturing to tissue engineering and dentistry. Although it benefits from fast and solvent-free curing procedures, it is currently facing ecological and health-related scrutiny, resulting from the poor biocompatibility and slow degradability of the respective photoinitiators, monomers and photopolymers. Transforming photopolymerization toward more biocompatible systems demands innovation in every component of the resin, specifically targeting the improvement of material selection and the refinement of photoinitiator design.This thesis tackles this transformation by two concepts, starting with novel disulfide-based hydrogels for orthogonal UV-light mediated photocrosslinking and two-photon-induced photocleavage for the use in biomedical applications, such as microfluidics. Therefore, new concepts for the thiol-ene photoconjugation of the state-of-the-art norbornene-modifed poly(vinyl alcohol) were developed. Herein, a disulfide-containing dithiol crosslinker was investigated that undergoes photopolymerization at low radical concentrations, while sensitized two-photon micropatterning should induce radical-mediated disulfide scission. Moreover, the addition of a gelatin subnetwork resulted in enhanced stability of the dynamic disulfide networks and the influence of physical and chemical incorporation was the gelatin matrix were elucidated, clearly indicating the importance of covalent integration in terms of hydrolytic and thermal stability. Secondly, novel concepts for radical photoinitiators were investigated, as the majority of commercially available initiators contain benzoyl chromophores that produce toxic photolysis products. Herein, fully aliphatic and multifunctional photoinitiators based on the α-ketoester moiety were carefully designed to match the absorption properties required for the use in UV-induced photopolymerization. The aliphatic structures were tested regarding their photoreactivity, gelation behavior and biocompatibility and the best performing candidates proved to be highly reactive and biocompatible alternatives compared to their cytotoxic aromatic counterparts. Additionally, aliphatic, α-ketoester-based photoinitiators showed excellent miscibility in a variety of organic and aqueous monomers, combined with low discoloration, facilitating their use in lithographic techniques, including UV-nanoimprint lithography and 3D printing.