Authors:	Wolf, Florian Karsten
Title:	Poly(lactide): from hyperbranched copolyesters to new block copolymers with functional methacrylates
Online publication date:	14-Feb-2014
Year of first publication:	2014
Language:	english
Abstract:	The prologue of this thesis (Chapter 1.0) gives a general overview on lactone based poly(ester) chemistry with a focus on advanced synthetic strategies for ring-opening polymerization, including the emerging field of organo catalysis. This section is followed by a presentation of the state-of the art regarding the two central fields of the thesis: (i) polyfunctional and branched poly(ester)s in Chapter 1.1 as well as (ii) the development of new poly(ester) based block copolymers with functional methacrylates (Chapter 1.2). Chapter 2 deals with the synthesis of new, non-linear poly(ester) structures. In Chapter 2.1, the synthesis of poly(lactide)-based multiarm stars, prepared via a grafting-from method, is described. The hyperbranched poly(ether)-poly(ol) poly(glycerol) is employed as a hydrophilic core molecule. The resulting star block copolymers exhibit potential as phase transfer agents and can stabilize hydrophilic dyes in a hydrophobic environment. In Chapter 2.2, this approach is expanded to poly(glycolide) multiarm star polymers. The problem of the poor solubility of linear poly(glycolide)s in common organic solvents combined with an improvement of the thermal properties has been approached by the reduction of the total chain length. In Chapter 2.3, the first successful synthesis of hyperbranched poly(lactide)s is presented. The ring-opening, multibranching copolymerization of lactide with the â inimerâ 5HDON (a hydroxyl-functional lactone monomer) was carefully examined. Besides a precise molecular characterization involving the determination of the degree of branching, we were able to put forward a reaction model for the formation of branching during polymerization. Several innovative approaches to amphiphilic poly(ester)/poly(methacrylate)-based block copolymers are presented in the third part of the thesis (Chapter 3). Block copolymer build-up especially relies on the combination of ring-opening and living radical polymerization. Atom transfer radical polymerization has been successfully combined with lactide ring-opening, using a â double headedâ initiator. This strategy allowed for the realization of poly(lactide)-block-poly(2-hydroxyethyl methacrylate) copolymers, which represent promising materials for tissue engineering scaffolds with anti-fouling properties (Chapter 3.1). The two-step/one-pot approach forgoes the use of protecting groups for HEMA by a careful selection of the reaction conditions. A series of potentially biocompatible and partially biodegradable homo- and block copolymers is described in Chapter 3.2. In order to create a block copolymer with a comparably strong hydrophilic character, a new acetal-protected glycerol monomethacrylate monomer (cis-1,3- benzylidene glycerol methacrylate/BGMA) was designed. The hydrophobic poly(BGMA) could be readily transformed into the hydrophilic and water-soluble poly(iso-glycerol methacrylate) (PIGMA) by mild acidic hydrolysis. Block copolymers of PIGMA and poly(lactide) exhibited interesting spherical aggregates in aqueous environment which could be significantly influenced by variation of the poly(lactide)s stereo-structure. In Chapter 3.3, pH-sensitive poly(ethylene glycol)-b-PBGMA copolymers are described. At slightly acidic pH values (pH 4/37°C), they decompose due to a polarity change of the BGMA block caused by progressing acetal cleavage. This stimuli-responsive behavior renders the system highly attractive for the targeted delivery of anti-cancer drugs. In Chapter 3.4, which was realized in cooperation, the concept of biocompatible, amphiphilic poly(lactide) based polymer drug conjugates, was pursued. This was accomplished in the form of fluorescently labeled poly(HPMA)-b-poly(lactide) copolymers. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) of partially biodegradable block copolymer aggregates exhibited fast cellular uptake by human cervix adenocarcinoma cells without showing toxic effects in the examined concentration range (Chapter 4.1). The current state of further projects which will be pursued in future studies is addressed in Chapter 4. This covers the synthesis of biocompatible star block copolymers (Chapter 4.2) and the development of new methacrylate monomers for biomedical applications (Chapters 4.3 and 4.4). Finally, the further investigation of hydroxyl-functional lactones and carbonates which are promising candidates for the synthesis of new hydrophilic linear or hyperbranched biopolymers, is addressed in Chapter 4.5. Die Einleitung dieser Dissertation (Kapitel 1.0) bietet einen allgemeinen Überblick über die Chemie Lacton-basierter Polyester und konzentriert sich zudem auf fortschrittliche Synthesestrategien für deren Ring-öffnende Polymerisation. Hierbei wird insbesondere auf das relativ junge Gebiet der Organo-Katalyse eingegangen. Nach diesem Abschnitt wird der aktuelle, wissenschaftliche Stand der Kerngebiete dieser Dissertation vorgestellt: (i) Polyfunktionelle und verzweigte Polyester (Kapitel 1.1) sowie der (ii) Entwicklung von neuartigen Blockcopolymeren auf Polyester/Polymethacrylat-Basis (Kapitel 1.2). In Kapitel 2 wird die Synthese neuartiger, nicht-linearer Polyesterstrukturen beschrieben. Kapitel 2.1 handelt von der Synthese von Polylactid basierten Multiarm-Stern Copolymeren, die sich zur Verkapselung hydrophiler Gastmoleküle (z.B. Wirk- oder Farbstoffen) eignen. In Kapitel 2.2 wird dieser Ansatz auf Polyglycolid Multiarm Sterne ausgedehnt. Hierbei wurden sowohl die schlechte Löslichkeit von linearem Polyglycolid als auch problematische thermische Eigenschaften merklich verbessert. In Kapitel 2.3 wird die erste erfolgreiche Synthese von hyperverzweigtem Polylactid beschrieben. Die Ring-öffnende, verzweigende Copolymerisation von Lactid mit dem â Inimerâ (initierendem Monomer) 5HDON (einem hydroxyl-funktionalisierten Lacton) wurde sorgfältig untersucht. Neben einer präzisen, molekularen Beschreibung konnte ein schlüssiges Reaktionsmodell für die Entstehung von Verzweigungspunkten postuliert werden. In Kapitel 3 werden einige innovative Syntheseansätze zur Herstellung von amphiphilen Polyester/Polymethacrylat Blockcopolymeren vorgestellt. Der Aufbau der Block-Struktur stütz sich dabei auf eine Kombination von Ring-Öffnungs- sowie lebender, radikalischer Polymerisation. Die â Atom transfer radical polymerizationâ wurde dabei mit einem bifunktionellen Initiator kombiniert. Durch eine sorgfältige Wahl der Reaktionsbedingungen ließen sich in einer Eintopf-, Zweischrittstrategie Polylactid-block-poly(2-Hydroxyethyl methacrylat) Copolymere herstellen (Kapitel 3.1). Diese stellen interessante Ausgangsmaterialien für bakterienabweisende Gerüste in der Geweberekonstruktion dar. In Kapitel 3.2 wird eine Serie von teilweise bioabbaubaren und potentiell biocompatiblen Blockcopolymeren vorgestellt. Diese wurden auf Basis des neuen, Acetal-geschützten Methacrylat Monomers cis-1,3- Benzylidene glycerol methacrylat (BGMA) realisiert. Durch Säure-katalysierte Acetal-Spaltung konnte das hydrophobe Poly(BGMA) schnell in das hydrophile und wasserlösliche poly(isoglycerol methacrylate) (PIGMA) überführt werden. Blockcopolymer aus PIGMA und Polylactid zeigten in wässriger Umgebung ein interessantes Aggregationsverhalten welches sich durch Variation der Stereochemie des Lactid-Blocks maßgeblich beeinflussen ließ. pH-sensitive Polyethyleneglycol-b-PBGMA Copolymere und deren Aggregate werden in Kapitel 3.3 beschrieben. Diese zersetzen sich kontrolliert unter leicht saurem pH (pH 4/37 °C) und eignen sich so zur Stimuli-induzierten Freisetzung von hydrophoben Gastmolekülen, wie z.B. Therapeutika für die Tumortherapie. In Kapitel 3.4, welches in Kooperation mit internen und externen Partner verwirklicht wurde, wurde die Synthese und biologische Evaluierung von amphiphilen, Polylactid-basierten Polymer-Wirkstoff Konjugaten untersucht. Hierzu wurden mit Fluoreszenz-Markern versehene Poly(HPMA)-b-Polylactid Copolymere synthetisiert. Die erfolgreiche und rasche Aufnahme der entsprechenden Aggregate durch HeLa-Zellen konnte mittels Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie beobachtet werden. Zudem zeigten sie keinerlei toxische Nebenwirkungen. Diese Studien wurden in Kapitel 4.1 fortgesetzt. Der aktuelle Stand von Projekte die Gegenstand weiterer Studien sind, wird in Kapitel 4 diskutiert. Dies betrifft insbesondere die Synthese biokompatibler Stern Blockcopolymere (Kapitel 4.2) und die Entwicklung neuer Methacrylat Monomere für biomedizinische Anwendungen (Kapitel 4.3 und 4.4). Abschließend wird die Synthese und weitere Untersuchung hydroxyl-funktioneller Lactone und Carbonate angesprochen. Diese stellen interessante und vielversprechende Kandidaten für die Synthese neuer hydrophiler Biopolymeren, linearer und hyperverzweigter Struktur dar (Kapitel 4.5).
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-3696
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-36650
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	335 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen