Functional Polymeric Toolkits: From Supramolecular to Hybrid Polymer Gels

Abstract

In this thesis, a modular polymeric toolkit was developed, which allows for the preparation and investigation of supramolecular polymer gels in various solvents to derive general structure-property relationships. To achieve this, N-isopropylacrylamide (NIPAM) monomers were copolymerized with electrophilic N-(methacryloyloxy)succinimide (MASI) monomers by controlled radical polymerization, yielding a PNIPAM copolymer with a narrow molecular weight distribution. The MASI units were replaced by nucleophilic substitution with amine-functionalized supramolecular bonding motifs, resulting in a set of supramolecularly crosslinkable polymers based on the same backbone material. Polymer networks were obtained by crosslinking via either hydrogen bonding or metal complexation upon addition of low molecular crosslinkers that are complementary to the moieties on the functional polymer chains. Combined quantitative measurements of oscillatory shear rheology and isothermal titration calorimetry showed a dependence of the mechanical properties of such polymer networks from the strength of the supramolecular crosslinks. As a result, supramolecular networks of varying strength, from low viscous solutions to highly elastic gels, could be obtained. Besides supramolecular crosslinkable motifs, the polymer backbone has been functionalized with amine- functionalized fluorophores, offering the possibility to probe polymeric networks by fluorescence-based imaging or tracking techniques. By this means, polymer networks were investigated with respect to the micrometer-scale mobility of linear polymer chains diffusing through polymer networks of varying strength. The results were compared to the predictions of the 'sticky reptation' model by Rubinstein and Semenov, indicating a certain threshold strength of supramolecular association, where the concentration dependence of the tracer-chains diffusivity is in agreement with this model. During these trials, we found that multipoint hydrogen-bonded arrays based on cyanurate and diaminotriazine have extraordinary binding strengths, even in polar solvents such as water. As a result, we functionalized biocompatible and water-soluble polyglycerol with either cyanurate or diaminotriazine and with terpyridine. This design principle allows for the orthogonal crosslinking of these polymer chains under mild gelation conditions by mixing aqueous solutions of these polymers and by subsequently adding Fe(II) ions. The resulting hydrogels were stable in water for several weeks. The orthogonality of this approach allows for the decrosslinking of such hydrogels by selective stimulation. For this purpose, a metal chelator that selectively disrupted the Fe(II)–terpyridine complexes was added and addition of acetic acid reversed the hydrogel bonding without interfering with metal complexation. The disruption of both types of crosslinking at the same time was achieved by sulfuric acid. The orthogonality of crosslinking in addition to the biocompatibility of the polyglycerol backbone render this material promising as a platform for temporary cell encapsulation and controlled cell release. In addition to cell encapsulation, stimuli-responsive polymeric materials can also be useful to manipulate confined cells when a certain trigger is applied. To achieve this, we designed a hybrid polymeric toolkit that combines both chemical and physical crosslinking. For this purpose, thermo-responsive PNIPAM was grafted on a poly(N-(2-hydroxypropyl)-methylacrylamide) (PHPMA) backbone that was covalently crosslinked by bioorthogonal strain-promoted azide–alkyne cycloaddition with cyclooctyne-functionalized PEG. This crosslinking chemistry in combination with droplet-based microfluidic templating allowed for the preparation of cell-laden microgels with cell viabilities higher than 90%. Upon change of the temperature from 32 °C to 37 °C, the dangling PNIPAM chains underwent a volume–phase transition, causing contraction of the microgels and increasing the elastic modulus. The design principle of these hydrogels allows for tuning the low-temperature elasticity as well as the further functionalization of the PHPMA backbone, e.g., with peptide sequences as anchoring points for cells. The combination of this customizable design with the reversible switchability of the mechanical properties renders this material platform an interesting candidate for induction and study of stem- cell differentiation.

In dieser Arbeit wurde ein modularer Polymerbaukasten entwickelt, der es erlaubt, supramolekular vernetzte Polymergele in verschiedenen Lösungsmitteln herzustellen und zu untersuchen. Mit Hilfe dieser Untersuchungen konnten dann die grundlegenden Beziehungen zwischen der Struktur der Gele und ihren jeweiligen Eigenschaften aufgeklärt werden. Um das zu erreichen, wurde zunächst über kontrollierte radikalische Polymerisation ein Copolymer bestehend aus N-Isopropylacrylamid (NIPAM) und elektrophilen N-(Methacryloyloxy)succinimid (MASI) Monomeren hergestellt. Die MASI Einheiten konnten dann mittels nukleophiler Substitution durch Amin-funktionalisierte supramolekular vernetzbare Motive ersetzt werden. Dadurch konnte ein Satz von Polymeren hergestellt werden, die auf demselben polymeren Ausgangsmaterial basieren, aber unterschiedliche supramolekular vernetzbare Seitengruppen besitzen. Die funktionellen Polymerketten konnten bei Zugabe von niedrigmolekularen komplementären Vernetzern entweder über Wasserstoffbrückenbindungen oder Metallkomplexierung verknüpft werden, was zu einer Bildung von Polymernetzwerken führte. Die Kombination aus quantitativen Messungen mittels oszillatorischer Scherrheologie und isothermaler Titrationskalorimetrie zeigte eine Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Polymernetzwerke von der Stärke der supramolekularen Verknüpfung. Auf diese Weise konnten supramolekulare Netzwerke mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, von niedrigviskosen Lösungen bis hin zu hochelastischen Gelen, hergestellt werden. Neben supramolekular vernetzbaren Gruppen konnte das Polymerrückgrat auch mit Amin-funktionalisierten Fluorophoren funktionalisiert werden, was die Möglichkeit bietet, Polymernetzwerke mithilfe von fluoreszenzbasierten Bildgebungsverfahren zu untersuchen. Auf diesem Weg wurde die Diffusion von linearen Polymerketten durch Polymernetzwerke mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie wurden dann mit den theoretischen Vorhersagen des "sticky reptation" Modells von Rubinstein und Semenov verglichen und es konnte gezeigt werden, dass ab einer bestimmten Bindungsstärke der supramolekularen Motive die Konzentrationsabhängigkeit der Diffusivität der Polymerketten mit dem Modell übereinstimmt. Während dieser Studie fanden wir heraus, dass die komplexe Wasserstoffbrückenbindung basierend auf Cyanursäure und Diaminotriazin eine sehr hohe Bindungskonstante hat, sogar in polaren Lösungsmitteln wie Wasser. Diesen Umstand macht wir uns zunutze, in dem wir biokompatibles und wasserlösliches Polyglycerin sowohl mit Cyanursäure als auch Diaminotriazin und Terpyridin funktionalisierten. Dieses Designprinzip ermöglichte es uns, die supramolekulare Vernetzung der einzelnen Polymerketten unabhängig voneinander unter milden Bedingungen durchzuführen. Hierzu wurden wässrige Polymerlösungen miteinander gemischt und anschließend wurden Fe(II)-Ionen dazugegeben. Die daraus resultierenden Hydrogele waren für mehrere Wochen stabil in Wasser. Die Orthogonalität dieses Ansatzes gestattet es, die supramolekulare Vernetzung selektiv aufzulösen. Um das zu verdeutlichen, haben wir Metall-Chelatoren, welche die Fe(II)-Terpyridinkomplexe auflösen, hinzugegeben und es konnte gezeigt werden, dass die Wasserstoffbrückenbindungen davon nicht beeinflusst wurden. Die Wasserstoffbrückenbindungen hingegen wurden mithilfe von Essigsäure aufgelöst. Die gleichzeitige Auflösung beider supramolekularer Vernetzungen konnte mit Schwefelsäure gezeigt werden. Die Kombination aus der Orthogonalität des Ansatzes und der Biokompatibilität des Polymerrückgrats machen dieses Material interessant für die Verwendung als Matrix zur Zellverkapselung und der anschließenden kontrollierten Zellfreisetzung. Zusätzlich zur Zellverkapselung können polymere Materialien, die auf verschiedene Stimulationen reagieren, auch verwendet werden, um in die Matrix eingeschlossene Zellen zu manipulieren. Wir haben diesen Ansatz verfolgt und ein hybrides Baukastensystem entwickelt, welches sowohl chemische als auch physikalische Vernetzung kombiniert. Hierzu wurden thermoresponsive PNIPAM-Ketten an ein Poly(N-(2-Hydroxypropyl)-Methacrylamid) (PHPMA) Rückgrat gekoppelt und dieses mithilfe von bioorthogonaler ringspannungsvermittelter Azid–Alkin Zykloaddition mit Cyclooctin funktionalisiertem PEG chemisch verknüpft. Diese Vernetzungschemie in Kombination mit tröpfchenbasierter Mikrofluidik erlaubte es uns, erfolgreich Zellen in Mikrogelen zu verkapseln, welche anschließend eine Überlebensrate von über 90% zeigten. Wenn die Umgebungstemperatur der Mikrogele von 32 °C auf 37 °C erhöht wurde, konnte ein Volumen–Phasenübergang der PNIPAM Seitenketten beobachtet werden, welcher eine Kontraktion der Mikrogele und eine damit verbundene Erhöhung des elastischen Moduls zu Folge hatte. Das Baukastenprinzip erlaubt sowohl die Anpassung des elastischen Moduls bei niedrigen Temperaturen als auch die weitere Funktionalisierung mit zum Beispiel Peptidsequenzen, die als Ankerpunkte für Zellen fungieren können. Die Kombination aus individueller Anpassung des Systems an verschiedene Vorrausetzungen und die reversible Umschaltbarkeit der mechanischen Eigenschaften machen dieses System zu einem interessanten Material für die Untersuchung der Differenzierung von Stammzellen.