Authors:	Brunsen, Annette
Title:	Functional dextran-based hydrogels
Online publication date:	12-Apr-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	Dextran-based polymers are versatile hydrophilic materials, which can provide functionalized surfaces in various areas including biological and medical applications. Functional, responsive, dextran based hydrogels are crosslinked, dextran based polymers allowing the modulation of response towards external stimuli. The controlled modulation of hydrogel properties towards specific applications and the detailed characterization of the optical, mechanical, and chemical properties are of strong interest in science and further applications. Especially, the structural characteristics of swollen hydrogel matrices and the characterization of their variations upon environmental changes are challenging. Depending on their properties hydrogels are applied as actuators, biosensors, in drug delivery, tissue engineering, or for medical coatings. However, the field of possible applications still shows potential to be expanded. rnSurface attached hydrogel films with a thickness of several micrometers can serve as waveguiding matrix for leaky optical waveguide modes. On the basis of highly swelling and waveguiding dextran based hydrogel films an optical biosensor concept was developed. The synthesis of a dextran based hydrogel matrix, its functionalization to modulate its response towards external stimuli, and the characterization of the swollen hydrogel films were main interests within this biosensor project. A second focus was the optimization of the hydrogel characteristics for cell growth with the aim of creating scaffolds for bone regeneration. Matrix modification towards successful cell growth experiments with endothelial cells and osteoblasts was achieved.rnA photo crosslinkable, carboxymethylated dextran based hydrogel (PCMD) was synthesized and characterized in terms of swelling behaviour and structural properties. Further functionalization was carried out before and after crosslinking. This functionalization aimed towards external manipulation of the swelling degree and the charge of the hydrogel matrix important for biosensor experiments as well as for cell adhesion. The modulation of functionalized PCMD hydrogel responses to pH, ion concentration, electrochemical switching, or a magnetic force was investigated. rnThe PCMD hydrogel films were optically characterized by combining surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide mode spectroscopy (OWS). This technique allows a detailed analysis of the refractive index profile perpendicular to the substrate surface by applying the Wentzel Kramers Brillouin (WKB) approximation. rnIn order to perform biosensor experiments, analyte capturing units such as proteins or antibodies were covalently coupled to the crosslinked hydrogel backbone by applying active ester chemistry. Consequently, target analytes could be located inside the waveguiding matrix. By using labeled analytes, fluorescence enhancement was achieved by fluorescence excitation with the electromagnetic field in the center of the optical waveguide modes. The fluorescence excited by the evanescent electromagnetic field of the surface plasmon was 2 3 orders of magnitude lower. Furthermore, the signal to noise ratio was improved by the fluorescence excitation with leaky optical waveguide modes.rnThe applicability of the PCMD hydrogel sensor matrix for clinically relevant samples was proofed in a cooperation project for the detection of PSA in serum with long range surface plasmon spectroscopy (LRSP) and fluorescence excitation by LRSP (LR SPFS). rn Dextran-basierte Polymere sind hydrophile Materialien, die zur Funktionalisierung von Oberflächen eingesetzt werden können. Funktionelle, responsive Hydrogele sind vernetzte, Polymere, die ihren Quellgrad bei Variation der externen Bedingungen ändern. Eine kontrollierte Anpassung der Hydrogeleigenschaften für spezifische Anwendungen sowie eine detaillierte Charakterisierung der optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften sind aus wissenschaftlichen und anwendungsorientierten Gesichtspunkten von großem Interesse. Dabei ist vor Allem die strukturelle Charakterisierung gequollener Hydrogele und die Charakterisierung der responsiven Änderung des Quellgrades bei Variation der externen Bedingungen eine Herausforderung. Entsprechend ihrer Eigenschaften finden Hydrogele Anwendung als Aktuatoren, in der Biosensorik, in der Pharmakotherapie, in medizinischen Beschichtungen oder als Matrices für Zellwachstum.rnOberflächengebundene Hydrogelfilme mit einer Filmdicke im Bereich von Mikrometern können als Wellenleiter für optische Leckwellenleitermoden dienen. Auf Basis stark quellender und wellenleitender Dextran basierter Hydrogelfilme wurde ein Biosensorkonzept entwickelt. Die Synthese einer Dextran basierten Hydrogelmatrix, ihre Funktionalisierung und die Charakterisierung der gequollenen Hydrogelfilme waren die Schwerpunkte innerhalb dieses Biosensorprojektes. Ein zweiter Schwerpunkt war die Optimierung der Hydrogele als Matrix für Zellwachstum zur Knochenregeneration. Dabei wurde Anhaftung und Wachstum von Endothelzellen und Osteoblasten beobachtet.rnEs wurde ein photovernetzbares, carboxymethyliertes, Dextran basiertes Hydrogel (PCMD) hergestellt und auf seine Quelleigenschaften und seine Struktur im gequollenen Zustand untersucht. Eine weitere Funktionalisierung wurde sowohl am löslichen Polymer, als auch nach Vernetzen am Hydrogelfilm durchgeführt. Das Ziel der Funktionalisierung war die externe Manipulation des Quellgrades und der Ladung der Hydrogelmatrix. Beide Eigenschaften sind einerseits für die Biosensorik als auch für Zellwachstum von Bedeutung. Die Modulation des Quellgrades durch pH , Ionenkonzentrationsänderungen oder durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes wurde dabei untersucht.rnDie PCMD Hydrogelfilme wurden optisch mittels Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) und optischer Wellenleitermodenspektroskopie (OWS) untersucht. Mit Hilfe dieser Technik und unter Anwendung der Wentzel Kramers Brillouin Näherung (WKB) ist es möglich, das Brechungsindexprofil des Hydrogelfilms senkrecht zur Substratoberfläche zu bestimmen. rnUm Biosensorexperimente durchzuführen wurden selektive Analyterkennungseinheiten, wie z.B. Proteine oder Antikörper, mittels Aktivesterchemie kovalent an das vernetzte Polymer angebunden. Anschließend wurden Analyten innerhalb des Leckwellenleitermoden leitenden Hydrogelfilms angebunden und das elektromagnetische Feld der Wellenleitermoden konnte zur Detektion genutzt werden. Fluoreszenzmarkierte Analyten führen dabei zu einer Signalverstärkung. Das Fluoreszenzsignal, angeregt durch die optischen Wellenleitermoden, lag dabei um 2-3 Größenordnungen höher als das durch das evaneszente Feld des Oberflächenplasmons angeregte Signal. Zudem resultiert die Fluoreszenzdetektion in optischen Leckwellenleitermoden in einem geringeren Signal Rausch Verhältnis. rnDie Anwendbarkeit der PCMD Hydrogelsensormatrix für klinisch relevante Proben wurde in einem Kooperationsprojekt durch die Detektion des Tumormarkers PSA in Serum mittles langreichweitiger Oberlflächenplasmonenspektroskopie (LRSP) und Fluoreszenzdetektion mittles LRSP (LR SPFS) nachgewiesen.rn
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2247
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-22345
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	218 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen