Nitroxides at the Interphase: Bioinspired Polymer Adhesives for Controlling Biofilm-related Infections
Creators: name: Wöhlk, Hendrik
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: antibiofilm polymer coatings
bioadhesion
nitroxide free radicals
photolithography
poly(catecholamine)s
precision surface engineering

description: In der vorliegenden Arbeit wird eine biologisch inspirierte Syntheseroute zur Darstellung von nitroxidfunktionalisierten, adhäsiven Makromolekülen präsentiert. Ein vielseitiges Polymerbeschichtungsverfahren wurde angewendet, um verschiedene Materialoberflächen gezielt mit nitroxidcharakteristischen multi-radikalen, elektroaktiven und Antibiofilm-Eigenschaften zu versehen.
Zu Beginn ist die Synthese eines polymerisierbaren Katecholamins beschrieben, das mit einer Nitroxid-funktionellen Gruppe verknüpft worden ist. L 3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA) wurde mittels einer Amid-Kupplungsreaktion und unter Anwendung von konventioneller Schutzgruppenchemie an ein Derivat von 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO) gebunden. Das maßgeschneiderte Monomer, gekennzeichnet als DOPA-TEMPO, wurde als entsprechendes Hydroxylamin Dihydrochlorid-Salz in der darauffolgenden aeroben Polymerisation unter leicht alkalischen wässrigen Bedingungen eingesetzt. Anhand von UV/VIS-spektroskopischen Messungen wurde der Oxidation der Katecholeinheit, einhergehend mit der Enstehung von ortho-Chinon abgeleiteten Struktureinheiten, eine entscheidene Rolle im anfänglichen Aufbau von reaktiven Oligomerzwischenstufen zugewiesen. Eine vermehrte Nitroxidradikalentstehung (ingesamt 85%) ausgehend von der aeroben Oxidation des Hydroxylamins wurde im zweiten Abschnitt der DOPA-TEMPO Polymerisation beobachtet. Des Weiteren wurde der kovalente Charakter von Poly(DOPA-TEMPO) anhand der hochauflösenden Massenspektrometrie mit Elektrospray-Ionisation (HR-ESI-MS) bewiesen. Oligomere mit bis zu sechs Wiederholeinheiten wurden identifiziert und Indol-ähnliche Bausteine wurden als wichtige Strukturmotive, geltend für das Polymerrückgrat, vorgeschlagen.
Die Charakterisierung mittels hochauflösender Massenspektrometrie wurde weiterhin für die Strukturanalyse eines vergleichbaren Polymersystems vollzogen, bei dem das entsprechende Methoxyderivat von DOPA-TEMPO als Monomer diente. Breite Oligomerprofile mit bis zu acht Wiederholeinheiten wurden mittels HR-ESI-MS detektiert, das auf eine äußerst heterogene Polymerzusammensetzung mit einer Vielzahl an koexistenten und strukturell vielseitigen Struktureinheiten schließen lässt. Dihydroxyindol wurde als elementarer Grundbaustein im Polymerrückgrat nachgewiesen. Dennoch wurde eine klare Tendenz hinzu des vermehrten Einbaus an nichtzyklischen Katecholeinheiten mit steigender Polymerkettenlänge beobachtet.
Anschließend wurde das DOPA-TEMPO Polymerisationsverfahren in eine vielseitige Beschichtungsstrategie umgewandelt, welches eine substratunabhängige Nitroxid-Oberflächenfunktionalisierung ermöglichte. Die Haftungseigenschaften von Poly(DOPA-TEMPO)-Oberflächenbeschichtungen wurden in Abhängigkeit verschiedener Substrattypen getestet. Hierbei kamen Silicium, keramisches Aluminiumoxid, Titan und chemisch-inertes Poly(tetrafluoroethylen) (PTFE) als Materialien zum Einsatz. Anhand von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Kontaktwinkelmessungen wurde die Bildung von nitroxidhaltigen Polymerfilmen auf den oben genannten Oberflächen kritisch nach einer Reaktionsdauer von 24 Stunden untersucht. Die inhärente Oberflächenrauigkeit von unbeschichtetem PTFE kompensierte hierbei womöglich die vorherrschenden schwachen (nichtkovalenten) Bindungswechselwirkungen zwischen dem Grenzflächenmodifizierer und dem Substrat, wie es XPS Messungen in der Anfangsphase der Polymerisation nach 12 Stunden gezeigt haben. Im Gegensatz dazu wurde eine verlangsamte Polymerablagerung auf glatten Siliciumoberflächen beobachtet. Ein kontinuierlich wachsender Polymerfilm mit einer gemittelten Wachstumsrate von ca. 1,1 nm pro Stunde wurde anhand von Ellipsometriemessungen ermittelt und die Polymerschichtdicken anschließend mittels AFM Höhenprofilmessungen bestätigt. Des Weiteren wurde die Oberflächenrauigkeit der Beschichtungen mittels AFM genauestens bestimmt. Die reversiblen Redoxeigenschaften von Nitroxidpolymeren, die zuvor auf Glasskohlenstoff- und Platinarbeitselektroden immobilisiert worden sind, wurden mittels Cyclovoltammetrie elektrochemisch analysiert. Weiterhin wurde ein lichtabhängiges (UV B) Photopolymerisationsverfahren für die Darstellung von Poly(DOPA-TEMPO) Oberflächenbeschichtungen etabliert. 
Dynamisch-kovalente Alkoxyamin-funktionelle Gruppen wurden auf Oberflächen von Poly(glycidylmethylacrylat) (PGMA) Mikropartikeln aufgebracht. Dabei wurden die PGMA Mikropartikel zuerst mit einer dünnen nitroxidhaltigen Polymerschicht umhüllt, die mittels einer oxidativen Copolymerisation von Dopamin und DOPA-TEMPO (molares Verhältnis 9:1) generiert wurde. Die nitroxidhaltigen Mikropartikel wurden in aufeinanderfolgenden Nitroxidradikalkupplungsreaktionen (NRC) und thermischen Alkoxyaminbindungsbrüchen reversibel funktionalisiert. Als Machbarkeitsnachweis der wiederbeschreibaren Oberflächeneigenschaften wurden chloroalkyl- und fluoroalkylfunktionalisierte 2-Bromoisobutyratderivate als NRC Reagenzien eingesetzt, da diese Moleküle einen guten XPS Kontrast aufwiesen. Zudem wurde das vielseitige Nitroxidbeschichtungsverfahren erweitert, indem eine ortsaufgelöste Oberflächenfunktionalisierung mit synthetischen Polymersträngen präsentiert wurde. Photochemisch aktives Poly(methymethacrylat) (PMMA) und Poly(2,2,2-trifluoroethylmethacrylat) (PTFEMA), die jeweils mit einem Irgacure 2959 Photoinitiatorsystem terminiert worden sind, wurden an nitroxiddekorierten Polydopaminoberflächen mittels NRC-Photoklick-Reaktionen gebunden. Die zweifache Oberflächenmusterung mit den entsprechenden Polymeren wurde anhand von Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) and XPS Bildgebungsmethoden nachgewiesen.
Im letzten Teil der Dissertation wurde eine neue Strategie zur Prävention von Biofilmen auf Oberflächen präsentiert. Nitroxidbeschichtete Hydroxylapatitoberflächen wurden einer Pseudomonas aeruginosa Biofilmkultivierung ausgesetzt (für 72 Stunden unter einem kontinuerlichen Fluss des Nährmediums). Hierbei wurde ein mit grünfluoreszierendem Protein (GFP) gekennzeichneter PA14 Stamm verwendet. Die Antibiofilm-Eigenschaften wurden eindeutig den im Polymer eingebauten Nitroxiden zugeordnet. Etwaige Nebenwirkungen von der umgebenen Polymermatrix konnten ausgeschlossen werden. Des Weiteren wurden Synergieeffekte zwischen nitroxidfunktionalisierten Oberflächen und antibiotisch wirkendem Ciprofloxacin in der Eradikation von Biofilmen verdeutlicht. Das vielseitige und anpassungsfähige Nitroxidbeschichtungssytem wurde weiterhin für die orts¬aufgelöste Oberflächenimmobilisierung von Nitroxiden auf Titanimplantaten angewendet. Die von Licht gesteuerte Entstehung von Antibiofilm-Domänen wiesen eine beachtliche Resistenz gegenüber P. aeruginosa Biofilmen auf. Das weitreichende Potential dieses vielseitigen Beschichtungsverfahren in biomedizinischen Anwendungen wurde hiermit aufgezeigt.
Zusammenfassend wurde die makromolekulare Gestaltung von nitroxidfunktionellen Oberflächen präsentiert. Unter Anwendung eines milden Polymerisationsverfahren und einer weitreichenden Oberflächenbeschichtungsstrategie wurden verschiedene Materialgrenzflächen präzise modifiziert. Die in der vorliegenden Arbeit präsentieren Ergebnisse tragen zur Entwicklung von hochfunktionellen Materialien bei, einschließlich der Weiterentwicklung von dynamisch-kovalenten Polymermaterialien und nachhaltigen elektroaktiven Verbundsmaterialien. Besonders vielversprechend erwies sich die Verschmelzung von nitroxidbasierenden Antibiofilm-Eigenschaften mit einer biologisch inspirierten und substratunabhängigen Beschichtungsverfahrenweise, aus der eine neuartige prophylaktische Strategie zur Reduzierung von biofilmassoziierten Infektionen hervorgetreten ist.