Authors:	Roskamp, Robert Fokko
Title:	Functional hydrogels
Online publication date:	3-Jan-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	Hydrogels are used in a variety of applications in daily life, such as super absorbers, contact lenses and in drug delivery. Functional hydrogels that allow the incorporation of additional functionalities have enormous potential for future development. The properties of such hydrogels can be diversified by introducing responsiveness to external stimuli. These crosslinked polymers are known to respond to changes in temperature, pH and pressure, as well as chemical and electrical stimuli, magnetic fields and irradiation. From this responsive behavior possible applications arise in many fields like drug delivery, tissue engineering, purification and implementation as actuators, biosensors or for medical coatings. However, their interaction with biomaterial and way of functioning are yet not fully understood. Therefore, thorough investigations regarding their optical, mechanical and chemical nature have to be conducted. A UV-crosslinkable polymer, consisting of N-isopropylacrylamide, methacrylic acid and the UV-crosslinker 4-benzoylphenyl methacrylate was synthesized. Its composition, determined by a comprehensive NMR study, is equivalent to the composition of the monomer mixture. The chemical characteristics were preserved during the subsequently formation of hydrogel films by photo-crosslinking as proved by XPS. For the optical characterization, e.g. the degree of swelling of very thin films, the spectroscopy of coupled long range surface plasmons is introduced. Thicker films, able to guide light waves were analyzed with combined surface plasmon and optical waveguide mode spectroscopy (SPR/OWS). The evaluation of the data was facilitated by the reverse Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approximation. The meshsize and proper motion of the surface anchored hydrogels were investigated by fluorescence correlation spectroscopy (FCS), micro photon correlation spectroscopy (µPCS) and SPR/OWS. The studied gels exhibit a meshsize that allowed for the diffusion of small biomolecules inside their network. For future enhancement of probing diffusants, a dye that enables FRET in FCS was immobilized in the gel and the diffusion of gold-nanoparticles embedded in the polymer solution was studied by PCS. These properties can be conveniently tuned by the crosslinking density, which depends on the irradiation dose. Additionally, protocols and components for polymer analogous reactions based on active ester chemistry of the hydrogel were developed. Based on these syntheses and investigations, the hydrogel films are applied in the fields of medical coatings as well as in biosensing as matrix and biomimetic cushion. Their non-adhesive properties were proved in cell experiments, SPR/OWS and ToF-SIMS studies. The functionality and non-fouling property of the prepared hydrogels allowed for adaption to the needs of the respective application. Hydrogele sind in ihren Anwendungen, zum Beispiel als Superabsorber, Kontaktlinsen und in der Galenik Teil des täglichen Lebens geworden. Großes Potential für weitere Entwicklungen haben funktionelle Hydrogele, bei denen zusätzliche Funktionalitäten eingeführt werden können. Eine weitere Diversifizierung der Eigenschaften kann durch die Antwortmöglichkeit der Gele auf externe Stimuli erreicht werden. Diese vernetzten Polymere reagieren auf Änderungen der Temperatur, des pH und des Druckes, sowie auf chemische und elektrische Reize, Magnetfelder und Strahlung. Diese Reaktionen ermöglichen eine breite Anwendung wie zum Beispiel in der Galenik, Gewebezüchtung und Aufreinigung, in Aktuatoren, Biosensoren und als medizinische Beschichtungen. Die Wechselwirkung der Hydrogele mit Biomaterial und ihre Funktionsweise ist allerdings noch nicht vollständig aufgeklärt. Folglich müssen gründliche Untersuchungen hinsichtlich ihrer optischen, mechanischen und chemischen Natur durchgeführt werden. Ein UV-vernetzbares Polymer, bestehend aus N-isopropylacrylamide, Methacrylsäure und dem UV-Vernetzer 4-Benzoylphenyl-methacrylat wurde synthetisiert. Die Zusammensetzung wurde durch umfassende NMR Untersuchungen bestimmt und entspricht der Zusammensetzung der Monomermischung. Diese wurde während der nachträglichen Bildung des Hydrogels durch Photovernetzung erhalten, wie XPS Messungen zeigten. Für die Charakterisierung der optischen Eigenschaften sehr dünner Filme wurde die Spektroskopie gekoppelter, langreichweitiger Oberflächenplasmonen (cLRSP) entwickelt. Dickere Filme, die als optische Wellenleiter fungieren können, wurden durch kombinierte Oberflächenplasmonen und optischer Wellenleitermoden Spektroskopie (SPR/OWS) analysiert. Die Auswertung der erhaltenen Daten wurden durch die Anwendung der Wentzel-Kramers- Brillouin (WKB) Näherung ermöglicht. Die Maschenweite und Eigenbewegung der oberflächengebundenen Hydrogele wurde durch Fluoreszenz Korrelations Spektroskopie (FCS), Micro Photonen Korrelations Spektroskopie (µPCS) und SPR/OWS untersucht. Das hier studierte Gel weißt eine Maschenweite auf, die die Diffusion von kleinen Biomolekülen innerhalb des Netzwerkes ermöglicht. Zur Weiterentwicklung der Detektion von diffundierenden Teilchen wurde ein Farbstoff im Gel immobilisiert, das FRET angeregte FCS erlaubt, sowie die Diffusion von Gold-Nanopartikeln in Polymerlösungen durch PCS untersucht. Die Eigenschaften der Hydrogele können durch die Vernetzungsdichte, die von der Bestrahlungsdosis abhängt, eingestellt werden. Zusätzlich wurden Protokolle und Komponenten zur polymeranalogen Funktionalisierung der Hydrogele über Aktivesterchemie entwickelt. Basierend auf diesen Synthesen und Untersuchungen wurden die hergestellten Hydrogelfilme als medizinische Beschichtungen, für Biosensoren und als biomimetische Oberflächen eingesetzt. Ihre nicht-adhäsiven Eigenschaften wurden in Zellexperimenten und mittels SPR/OWS und ToF-SIMS bestätigt. Diese Eigenschaften und die Funktionalität der hergestellten Hydrogele ermöglichen die Anpassung an die Bedürfnisse der entsprechenden Anwendung.
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-2299
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-25238
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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