title: Novel degradablepolymeric materials for biomedical and antibacterial applications
title: Design und Synthese von abbaubaren Polymeren für biomedizinische und antibakterielle Anwendungen
Creators: name: Zhang, Yi
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: DNA transfection
Hydrogel
hydrogel
Wirkstofffreisetzung
biodegradable
Transfektion
Chemie
Biologischer Abbau
drug delivery

description: In this thesis degradable polymers
      for three different purposes, DNA transfection, drug delivery
      and antibacterial properties were designed, synthesized and
      characterized. In the first part of the DNA transfection
      application the novel degradable and biocompatible
      poly(PEG-co-(BMDO-co-DMAEMA)) and its quaternized derivative
      poly(PEG-co-(BMDO-co-DMAEMA•EtBr)) were successfully
      synthesized and characterized. This copolymer shows a
      significant solubility improvement by introducing hydrophilic
      PEG blocks into the polymer backbone. The successful
      incorporation of ester linkages into the copolymer backbone
      led to a fast degradation of the copolymer under enzymatic
      and buffer conditions. All the synthesized copolymers show a
      low cytotoxicity. The unquaternized copolymers result in
      higher cell viability than the quaternized copolymers as well
      as positive results in p-DNA transfection. In the second part
      of the DNA transfection application degradable and
      biocompatible poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA)) and the
      quaternized derivative poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA•EtBr)) were
      obtained also via free radical polymerization using PEG macro
      azo initiator. The presence of the PEG unit in the polymer
      backbone led to great improvement of the polymer solubility.
      The more reactive MDO leads to a higher ester content in the
      copolymer than with BMDO as monomer. After quaternization of
      poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA), the solubility of the polymers
      as well as their complexation efficiencies were greatly
      improved. This highly biocompatible polymer shows a positive
      result in the gene transfection experiments in the presence
      of serum. For the drug delivery application, a biocompatible
      and degradable functional polymer which is based on HEMA
      could be successfully synthesized by radical polymerization.
      The structure of the resulting polymers and the reaction
      kinetics was studied in this work. The cell viabilities were
      over 80 % even for very high polymer concentrations (100
      mg/ml). The hydroxyl functionalized polymers are
      hydrolytically degradable under basic conditions and also
      show surface erosion and bulk degradation upon treatment with
      macrophages. A promising positive result is demonstrated for
      the use of such polymers for drug encapsulation. This new,
      well characterized biocompatible and degradable hydroxyl
      functionalized polymer could be suitable for many different
      biomedical applications. For the antibacterial application,
      poly(BMDO-co-HEMA-graft-DMAEMA) with different DMAEMA side
      chain lengths was synthesized using a new macro ATRP
      initiator. A high water absorption ability of these
      copolymers can be observed. At higher temperature and lower
      pH the polymer with 43 wt.% of DMAEMA shows the highest water
      uptake efficiency. Poly(BMDO-co-HEMA-graft-DMAEMA)
      demonstrates great antibacterial activities against both E.
      coli and Bacillus Subtilis down to concentrations as low as
      31.25 µg/mL. The time dependent antibacterial test shows that
      99.9 % of the treated E. coli bacteria were killed within 1
      minute. This polymer also presents slow degradation ability
      under compost condition.
description: In dieser Arbeit wurden abbaubare
      Polymere für drei verschiedene Anwendungen designt,
      synthetisiert und charakterisiert: DNA-Transfektion,
      Wirkstofffreisetzungen und antibakterielle Materialien. Im
      ersten Teil der DNA-Transfektion wurden das neuartige
      abbaubare und biokompatible Poly(PEG-co-(BMDO-co-DMAEMA)) und
      das quaternisierte Poly(PEG-co-(BMDO-co-DMAEMA•EtBr))
      erfolgreich synthetisiert und charakterisiert. Durch die
      Einführung eines hydrophilen PEG-Blocks in das
      Polymerrückgrat konnte die Löslichkeit des Polymers in Wasser
      deutlich verbessert werden. Zusätzlich führte der
      erfolgreiche Einbau von Estergruppen in das Copolymerrückgrat
      zu einem schnellen Abbau des Copolymers unter enzymatischen
      und Pufferbedingungen. Alle synthetisierten Copolymere
      zeigten eine niedrige Zytotoxizität. Die quaternisierten
      Copolymere besaßen höhere IC50-Werte mit L929 Zellen als die
      unquaternisierten Copolymere und lieferten positive
      Ergebnisse bei Versuchen zu den p-DNA-Transfektionen. Im
      zweiten Teil der DNA-Transfektionen wurde das abbaubare und
      biokompatible Poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA)) und das
      quaternisierte Polymer Poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA•EtBr))
      mittels radikalischer Polymerisation unter Verwendung des
      PEG-Makro-Azoinitiators synthetisiert. Die PEG-Einheit in der
      Polymerkette führte zu einer Verbesserung der Löslichkeit des
      Polymers. Die Verwendung des reaktiveren MDO an Stelle von
      BMDO als Monomer führte zu einem höheren Anteil an
      Esterbindungen im Copolymer. Nach der Quaternisierung von
      Poly(PEG-co-(MDO-co-DMAEMA)), zeigten die Polymere eine
      deutlich bessere Löslichkeit und Komplexierungseffizienz. Das
      biokompatible Polymer zeigte ein positives Ergebnis im
      Transfektionsexperiment in Gegenwart von Serum. Für die
      Wirkstofffeisetzung wurde ein biokompatibles, funktionales
      und abbaubares Polymer, welches auf HEMA basiert
      Poly(BMDO-co-HEMA), erfolgreich durch radikalische
      Polymerisation synthetisiert. Die Struktur des resultierenden
      Polymers und die Reaktionskinetik wurden in dieser Arbeit
      untersucht. Die Überlebensrate der Zellen war höher als 80%,
      selbst bei sehr hohen Polymerkonzentrationen (100 mg/ml). Das
      hydroxyl-funktionalisierte Polymer wurde hydrolytisch unter
      basischen Bedingungen abgebaut und zeigte Oberflächenerosion
      und Bulk-Abbau bei Verwendung von Makrophagen. Ein
      vielversprechendes positives Ergebnis wurde für die
      Verwendung solcher Polymere für Wirkstoffverkapselung
      festgestellt. Dieses neue, gut charakterisierte,
      biokompatible und abbaubare hydroxyl-funktionalisierte
      Polymer ist potenziell für viele verschiedene biomedizinische
      Anwendungen geeignet. Für die antibakterielle Anwendung wurde
      Poly(BMDO-co-HEMA-graft-DMAEMA) mit unterschiedlichen
      DMAEMA-Seitenkettenlängen unter Verwendung eines neuen Makro
      ATRP-Initiators synthetisiert. Eine hohe
      Wasseraufnahmefähigkeit dieses Copolymers konnte beobachtet
      werden. Bei höheren Temperaturen sowie einem niedrigeren
      pH-Wert zeigte das Polymers mit 43 wt.% DMAEMA an der
      Seitenkette die höchste Wasseraufnahmeeffizienz.
      Poly(BMDO-co-HEMA-graft-DMAEMA) zeigte eine hohe
      antibakterielle Aktivität gegen E. coli und bacililus
      subtilis bei Konzentrationen bis unter 31,25 µg/mL. Die
      zeitabhängigen antibakteriellen Tests ergaben eine
      antibakterielle Aktivität gegen E. coli von 99,9% innerhalb
      von 1 min. Dieses Polymer wies auch einen langsamen Abbau
      unter Kompostbedingungen auf.