Authors:	Christmann, Sarah
Title:	Synthesis of functional amphiphilic block copolymers as stabilizer for various nanocarriers and further surface functionalization to change protein interactions
Online publication date:	21-Apr-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	Surfactants are known in many daily life products like foods, cosmetics or textiles, because they have the opportunity to mix immiscible liquids by decreasing their surface or interfacial tension due to their amphiphilic nature. Research of surfactants is still present and extended to the use of renewable resources to reach biocompatible and maybe biodegradable stabilizers. Also surfactants which include additional function, e.g. stimuli responsive groups, have been studied recently. One major aspect is here the recovery of the surfactant in a simple way, resulting in less waste production. However, to date, only very few stimuli-responsive and functional surfactants are applied. In this work several surfactants with different properties for the direct and inverse miniemulsion have been prepared. Polymeric surfactants based on well-defined polyglycerol block copolymers with adjustable length ratios were studied as stabilizers or multifunctional surfmers for various nanocarriers synthesized by water-in-oil (w/o) or oil-in-water (o/w) miniemulsions. Furthermore, the first well-defined amphiphilic block copolymers with several ferrocene units in the side chain are established as non-ionic redox-responsive ferrocenyl surfactants for o/w miniemulsions with destabilization ‘on-demand’ by oxidation. Nanocarriers generated by w/o miniemulsions, have to be transferred into water after synthesis. Therefore, an additional water-soluble surfactant or a surfactant with stimuli responsive groups is necessary. However, most oil-soluble surfactants are amphiphilic block copolymers without any switchable group, which resulted in shielding of the nanocarrier surface after transfer into water. To decrease such shielding in water a pH-sensitive poly(acrylic acid) homopolymer with pH-sensitive protection group was applied as oil-soluble surfactant for polyurea nanocapsules. In addition to nanocarrier stabilization research, also surface modification studies have to be investigated especially for their use in biomedical application to increase blood half-life time and specific cell-uptake. Therefore, the surface of the nanocarriers has to be functionalized to decrease the interaction of proteins with the nanocapsule surface. Because polyglycidol has similar protein adsorption properties as PEG, the stability of our polyglycidol functionalized polystyrene nanoparticles in blood plasma were investigated. Besides, the surface of hydroxyethyl starch nanocapsules was modified with different sugar derivatives by copper-free click reaction to reach a completely carbohydrate and biodegradable non-toxic nanocarrier and change the protein composition on the nanocapsule surface. Moreover, the surface of the nanocarriers has to be modified with cell specific linkers like mannose or folic acid to control nanocapsule uptake in the body. Because trimannose is discussed to increase cell uptake into dendritic cells, in this work, trimannose and mannose was introduced on the surface of PEGylated HES nanocapsules by copper-free click reaction to compare their cell uptake into dendritic cells. Tenside werden heutzutage in einer Vielzahl unterschiedlicher Bereiche eingesetzt, wie z. B. der Lebensmittel-, Kosmetik- oder Textilindustrie, da sie aufgrund ihrer amphiphilen Struktur in der Lage sind nicht mischbare Flüssigkeiten miteinander zu mischen, indem diese die Oberflächen- oder Grenzflächenspannung herabsetzen. Obwohl schon viele unterschiedliche Tenside existieren, ist deren Forschung weiterhin von Interesse. Durch die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen sollen unter anderem biokompatible und möglicherweise biologisch abbaubare Stabilisatoren erzeugt werden. Auch Tenside mit zusätzlicher Funktion, durch den Einbau von stimulus-abhängigen Gruppen, werden seit einiger Zeit untersucht. Ein wichtiger Aspekt ist hier die Rückgewinnung des Tensids auf einfache Weise, was zur Verringerung von Abfall führen soll. Bisher werden jedoch nur sehr wenige stimuli-sensitive und funktionelle Tenside verwendet. In dieser Arbeit wurden verschiedene Tenside mit unterschiedlichen Eigenschaften für die Stabilisierung in der direkten (Öl-in-Wasser) und inversen (Wasser-in-Öl) Miniemulsion hergestellt. So wurden vollständig Polyglycerin-basierte Blockcopolymere mit definiertem Blocklängenverhältnissen synthetisiert, um diese als Stabilisatoren oder multifunktionelle Surfmere in der direkten oder inversen Miniemulsion einzusetzen, um verschiedene Nanocarrier herzustellen. Weiterhin wurden die ersten amphiphilen Blockcopolymere mit mehreren Ferroceneinheiten in der Seitenkette als nichtionische redox-sensitive Ferrocenyl-Tenside für direkte Miniemulsionen etabliert. Nach Oxidation oder pH-Wert Veränderung führen diese dazu, dass die generierten Nanopartikel destabilisieren. Nanocarrier, die durch inverse Miniemulsionen erzeugt werden, müssen nach der Synthese in Wasser überführt werden. Dafür ist ein zusätzliches wassermischbares Tensid oder ein Tensid mit stimulus-reaktiver Gruppe erforderlich, um die Löslichkeit des Tensids zu verändern. Allerdings sind die meisten öllöslichen Tenside amphiphile Blockcopolymere ohne schaltbare Gruppe, welche zur Abschirmung der Nanocarrieroberfläche nach dem Transfer in Wasser führen. Um eine solche Abschirmung in Wasser zu verringern, wurde ein pH-sensitives silyl-geschütztes Homopolymer als öllösliches Tensid für die Herstellung von Polyharnstoff-Nanokapseln erzeugt. Neben der Synthese neuer funktioneller Tenside für eine effektive Stabilisierung von verschiedenen Nanocarriern, ist auch die Modifizierung von Nanocarrieroberflächen, speziell für biomedizinische Anwendung, von Bedeutung. Dadurch soll zum einen die Blut-Halbwertszeit und zum anderen die spezifische Zellaufnahme erhöht werden. Für eine längere Verweilzeit der Nanocarrier im Blut wird deshalb deren Oberfläche meist mit Polyethylenglycol (PEG) funktionalisiert, was zu einer gezielten Veränderung der Wechselwirkung von Proteinen und der Nanokapseloberfläche führt. Da Polyglycerin ähnliche Proteinadsorptionseigenschaften wie PEG aufweist, wurde die Stabilität unserer Polyglycerin-stabilisierten Polystyrol-Nanopartikel im Blutplasma untersucht. Außerdem wurde die Oberfläche von Hydroxyethylstärke-Nanokapseln (HES-NCs) mit verschiedenen Zuckerderivaten durch kupferfreie Klick-Chemie modifiziert, um vollständig kohlenhydrat- und biologisch abbaubare, nicht-toxische Nanocarrier zu erzeugen, die zusätzlich leichte Unterschiede in der Proteinadsorption aufwiesen. Für eine gezielte Aufnahme der Nanocarrier in bestimmte Zellen, kann deren Oberfläche zusätzlich mit zellspezifischen Linkern wie Mannose oder Folsäure modifiziert werden. Weil Trimannose als zellspezifischer Linker für dendritische Zellen diskutiert wird, wurde in dieser Arbeit die Oberfläche von PEGylierten HES-NCs mit Trimannose und Mannose durch kupferfreie Klick-Chemie funktionalisiert, um eine zielgerichtete Zellaufnahme in dendritische Zellen zu erhöhen und miteinander zu vergleichen.
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-3875
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000012617
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	III, 212 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen