title: Structural Control of Synthetic Polypeptides in Biomaterials at Multiple Dimensioned Scales
Creators: name: Chan, Nicholas
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2022
Subjects: subject: N-carboxyanhydride Ring Opening Polymerization
subject: Biofabrication
subject: Protein Secondary Structure
subject: Hydrogel
subject: Surface Modification
subject: Fibre
subject: 540

description: Proteine und Peptide sind unter den Biopolymeren von besonderem Interesse die Grundlage für wichtige strukturelle und funktionelle natürliche Komponenten. Die molekulare Struktur der Polypeptide besteht aus Aminosäuresequenzen, wobei Proteine eine Länge von etwa 100 Aminosäuren oder mehr aufweisen, während Peptide eine geringere Länge haben. Nach der kovalenten Verknüpfung interagieren die Seitenketten mit dem molekularen Rückgrat, was zu einer spontanen Faltung des Proteins und damit zu wohldefinierten, sequenzspezifischen Sekundärstrukturen wie α-Helices, β-Faltblättern und Zufallsknäuel führt. Solche Sekundärstrukturen können jedoch durch Verarbeitung manipuliert werden, um Materialien mit einzigartigen Strukturen zu erhalten. Sekundärstrukturen und ihre Gesamtkonformation führt zu unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Kombination dieser Aspekte für die Entwicklung verschiedener Materialien zu untersuchen. In dieser Studie wird eine Reihe neuartiger Herstellungsmethoden für die Kontrolle der Sekundärstruktur von nicht sequenzspezifischen Polypeptiden in Materialien mit unterschiedlichen Maßstäben untersucht. Insbesondere wurden Strategien zur Herstellung von Hydrogelen, Filmen und Fasern entwickelt, um Materialien zu produzieren, die entweder auf Sekundärstrukturen basierende Nanostrukturen nutzen, die traditionell schwer zu verwenden sind, wie z. B. β-Faltblatt-Nanokristalle, oder sekundärstrukturbildende Materialien, die ihrer üblichen Sekundärstruktur widersprechen. Diese sich aus dieser Kontrolle der Sekundärstruktur ergebenden Eigenschaften wurden untersucht, um ihre Auswirkungen und ihr Potenzial für verschiedene Anwendungen zu erkennen. Für die Entwicklung von Hydrogelen werden im Allgemeinen synthetische Polypeptide verwendet, um sekundärstrukturbasierte physikalische Vernetzungen zu bilden. In natürlichen Seiden sind β-Faltblätter mitverantwortlich für die hohe mechanische Stabilität und dienen daher als Vorbild zur Entwicklung mechanisch stabiler Hydrogele. In dieser Studie werden zunächst chemisch vernetzte Hydrogele mit anhängenden Amingruppen synthetisiert, um die Polymerisation von Poly(L-Valin) (PVal) und Poly(L-Valin-r-Glycin) (PLVG) als β-Faltblatt-bildendes Polypeptid zu initiieren. Durch die Verwendung der „grafting from“ Polymerisation, bei der vom Hydrogel ausgehend gepfropft wird, werden die Probleme der sterischen Hinderung reduziert, so dass Hydrogele mit hohem β-Faltblattgehalt hergestellt werden können. Die resultierenden Hydrogele zeigten eine stark verbesserte mechanische Festigkeit gegenüber den Hydrogelen ohne induzierte β-Faltblätter. Die Druckfestigkeit und Steifigkeit konnte auf bis zu 30 MPa verbessert werden, was ungefähr 300 Mal höher als die des ursprünglich Netzwerks ist, bzw. 6 MPa, was 100 Mal höher als die des ursprünglich Netzwerks ist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass diese Technik auf eine Reihe verschiedener Polymer-Hydrogele übertragbar ist, wobei die Anwendbarkeit in 3D-gedruckten Strukturen nachgewiesen wurde. Für die Entwicklung modifizierter Oberflächen wurden bisher synthetische Polypeptide basierend auf Abscheidungs- und Polymerisationstechniken eingesetzt. Unsere Gruppe hat eine einzigartige Methode zur Oberflächenmodifizierung etabliert, bei der Makrovernetzer mit mehreren polymerisierbaren Seitenketten verwendet werden. Dies wird als kontinuierliche Assemblierung von Polymeren (CAP) bezeichnet. Um die Auswirkungen der spezifischen Konformation der Polypeptide zu beobachten, wurden Polymere auf der Basis von Poly(L-Lysin) (PLLys) als Modell für CAP unter Verwendung der reversiblen Additions-Fragmentierungs-Kettentransfer (RAFT)-Polymerisation als Polymerisationsmedium verwendet. Durch Manipulation verschiedener RAFT-Agenzien und -Bedingungen konnten Filme mit einer Dicke von bis zu 36,1 ± 1,1 nm erzeugt werden, die Schichtdicke konnte bei mehrfacher Anwendung dieses Prozesses auf 94,9 ± 8,2 nm erhöht werden. Die Vielseitigkeit dieser Methode wurde durch die Verwendung von Poly(L-Glutaminsäure) (PLGlu) als weiteres Modellpolypeptid demonstriert. Darüber hinaus wiesen die Filme eine hohe Zufallsknäuel Konformation auf, was besonders für PLLys-Filme ungewöhnlich ist, da diese die α-helikale Konformationen bevorzugen. Es wurde ein enzymatischer Abbau mit verschiedenen Verdauungs- und Wundheilungsproteasen durchgeführt, wobei die Abbauraten je nach Verwendung von PLLys- oder PLGlu-basierten Makrovernetzern variierten. Außerdem wurden Fasern durch sequenzspezifische Methoden entwickelt, die β-Faltblätter enthalten, um die Probleme der Aggregationskontrolle in den Griff zu bekommen. Andere Methoden, die β-Faltblätter verwenden, erfordern mehrstufige oder komplizierte Prozesse, um das für die Polymerbildung erforderliche Vorstufenpolymer zu erhalten. Daher wird in dieser Studie eine Methode zur Herstellung von Fasern unter Verwendung eines breiten Spektrums bereits vorhandener Polymere entwickelt, indem das auf Valin basierende Monomer in die Vorstufenlösung (d. h. die Spinnlösung) eingebracht und die Polymerisation während des Faserspinnens initiert wird, was zu PVal führt. β-Faltblätter konnten erfolgreich in alle Polymerfasern integriert werden, allerdings mit sehr unterschiedlichen Auswirkungen auf die intermolekularen Bindungen der resultierenden Substrukturen. Es wurde festgestellt, dass die Polymere Polycaprolacton (PCL) und Celluloseacetat mit einem niedrigem Wasserstoffbrückenbindungspotenzial eine Zunahme des kristallinen Anteils aufweisen. Bei diesen Polymeren wurde festgestellt, dass die Zugfestigkeit nach der Einführung von β-Faltblättern zunimmt (2,2- bzw. 4,3-facher Anstieg für PCL- und Celluloseacetat-Fasern). Im Gegensatz dazu zeigten Polymere auf Poly(amid)-Basis mit einem hohem Wasserstoffbrückenbindungspotenzial (Nylon 6 und Poly(benzyl-L-glutamat) (PBLG)) keine Zunahme des kristallinen Anteils, obwohl ein Anstieg der Dehnbarkeit bei Bruch (2,9- bzw. 1,8-facher Anstieg für Nylon 6 und PBLG) beobachtet wurde. Bei anderen Polymeren, die keines dieser Merkmale aufweisen, führt die Einlagerung von β-Faltblättern in die Polymerstruktur zu minimalen oder reduzierten mechanischen Eigenschaften. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die präsentierten Herstellungsverfahren für eine Vielzahl verschiedener Materialien untersucht wurde, um sowohl die Sekundärstruktur als auch die polymeren Substrukturen zu untersuchen. Darauf aufbauend wurden die mechanische Stabilität und das Abbaupotenzial in Relation zur Sekundärstruktur untersucht und so eine Reihe neuer Ansätze für die Herstellung von Materialien auf Polypeptidbasis aufgezeigt.