Polyphosphoesters: A degradable alternative to polyolefins and poly(ethylene glycol)

Abstract

Polyphosphoester (PPEs) sind ein lebenswichtiger Baustein von Leben in der Natur. Siebestimmen das Leben in Form von Desoxyribonukleinsäure (DNS) und Ribonukleinsäure (RNS) und als Pyrophosphate speichern sie Energie in Organismen. Daher wäre es naheliegend diese vielfältige Materialklasse auch in vielen Anwendungen und Bereichen, vor allem im Biomedizinischen Bereich, wiederzufinden. Jedoch finden PPEs, neben einigen kommerziellen Flammschutzadditiven wenig Verwendung. Dies kann aufgrund der eingeschränkten Synthesemethoden der letzten Jahrzehnte liegen, wodurch die Funktionalität von PPEs nur teilweise genutzt werden konnte. Für viele Biomedizinische Anwendungen ist es jedoch entscheidend, die Anforderungen erfüllen zu können, indem man physikalische und chemische Eigenschaften, sowie das Abbauverhalten und -zeiten präzise einstellt. Polyphosphoester sind aufgrund ihrer potentiellen Bioabbaubarkeit und –kompatibilität von besonderem Interesse für den Einsatz als Biomaterialien. Ihre Vielfältigkeit ist durch die Pentavalenz des Phosphors gegeben und erlaubt so die gewünschten Eigenschaften genau einzustellen. So kann die Seitenkette genutzt werden um eine hohe Dichte an funktionellen Gruppen einzuführen, die Kette im Polymerrückgrat zwischen den Phosphoestern bestimmt das Kristallisationsverhalten sowie die Hydrophilie oder Hydrophobizität, und das Bindungsmotiv sowie die Gruppen am Phosphoratom sind entscheidend für das Abbauprofil und –verhalten und beeinflussen zusätzlich die Kristallisation und die Hydrophilie. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden die thermischen und mechanischen Eigenschaften von hydrophoben PPEs durch die Seitengruppe verändert um verschiedene Materialien herzustellen und diese auf Abbaubarkeit und Wirkstofffreisetzung zu untersuchen. Dadurch konnten stabile Polymerfilme oder auch Partikel und Fasern durch Elektrospinning in Mikrometergröße hergestellt werden. Beim Abbau zeigten sich diese PPEs sehr stabil und erst unter harschen basischen Bedingungen konnten Phosphotriester zu Phosphodiester hydrolisieren. Dabei konnten ich einen gezielten Seitenkettenabbau mit Phenoxyseitenketten zeigen, sowie zufällige Haupt-und Seitenkettenhydrolyse mit einer Ethoxyseitenkette, welche bei einer Hauptkettenabspaltung zu Pyrophosphaten weiterreagieren konnten. Daraufhin wurden bioabbaubare PPEs entwickelt indem Pyrophosphatgruppen in die Hauptkette eingebaut wurden, welche nach der Hydrolyse von Bakterien vollständig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut werden konnten. Desweiteren wurden durch gezielte Strukturänderungen der Hauptkette, hydrophile PPE Hydrogele entwickelt, wobei gezeigt werden konnte, dass diese im Vergleich zu PEG Hydrogelen im neutralen abgebaut werden können.