Universal Polymer Coatings with Tailorable Bioinert and Biospecific Function

Abstract

In this thesis, a set of multi-functional polymer coatings with tailorable surface properties was developed via mussel-inspired catecholic chemistry and the “adsorption-crosslinking” technology of benzophenone. The simple dip- coating method was adopted from the point of view of technical applicability. A wide range of material surfaces, including metal oxides, noble metals, ceramics, nonpolar polymeric materials, even the most inert and low-energy surfaces of PDMS and PTFE, and nano-interfaces, e.g., graphene, Fe3O4 nano- particles, nano-diamond, were successfully modified by these powerful coating methods to achieve versatile biomedical applications. Especially the “adsorption-crosslinking” coatings technology introduced in the second project, was proven to be efficient for the complex 3D PDMS microfluidic chips, extending its potential application to a lab on chip. For the bioinspired amphiphilic block copolymer (PG-CatPh) that integrates the concepts from blood protein adsorption and mussel adhesion, the polyglycerol block serves as the hydrophilic domain with excellent bioinert properties, while the anchor domain involves three different functional groups with synergistic effects (see section 3.1). It has been demonstrated that the PG- CatPh polymers are uniformly and robustly coated on both macroscale planar surfaces and nanosystems. The exposed hydrophilic moieties of the coatings hinder the formation of uncontrollable multilayers or agglomerates. Therefore, the universal coating ability of the polymers is suitable for macro/nano- interfaces. With the benefit of a dense assembled monolayer, the coating is thin, ultra-smooth, and colorless. The antifouling performance of the coatings was proven on TiO2 and PS to prevent unspecific protein adhesion and cell adhesion, respectively. In addition, specific interactions can be generated upon post-functionalization of the terminal groups with cyclic RGD by cellular adhesion and spreading on a Teflon surface. Therefore, this universal monolayer coating provides a new platform for material surface modification and can be used in a wide range of biointerface applications. However, the aforementioned PG-CatPh coatings on polymeric substrates failed in the ultra- low fouling resistance from single protein solution and complex serum, which was due to the weak polymer-substrate interaction, low coating density, and possible brush conformation change during the post-crosslinking. Therefore, a dense functional and long-term stable monolayer brush coating for various nonpolar surfaces was further developed by a simple “adsorption-crosslinking” technology based on a multifunctional amphiphilic block copolymer with benzophenone (BPh) as the reactive anchor (see section 3.2). The optimized hydrophobicity of the BPh functional block enabled BPh to be a direct anchor on pristine surfaces, which largely extended the use of BPh for material surface modification. The adsorbed BPhs initiated the unselective chain insertion crosslinking reaction under short UV irradiation to immobilize the polymer chains either on the substrates presented aliphatic C-H groups via covalent bonding or on the other substrates by multivalent adsorption and covalent crosslinking. This process resulted in an ultrathin, smooth, and highly stable monolayer brush coating. Besides the coatings on 2D planar surfaces, the PG-BPh polymers can also be used to coat complex 3D systems, e.g., microfluidics channels. Because of the high graft density, the modified nonpolar surfaces exhibited outstanding antifouling properties and were very stable in a physiological buffer for at least one year. After in situ post- modification with biospecific ligands, e.g., mannose, these bioinert surfaces were converted to highly biospecific protein adsorption and bacteria capture coatings via multivalent protein-carbohydrate interactions. Therefore, this highly stable monolayer coating provides a new platform for universal material surface modification and can be used in a wide range of biointerface applications. We believe our work opens up new avenues for the modification of nonpolar material surfaces and in situ immobilization of a wide variety of selective biomolecules. Furthermore, in order to dynamically control the bio- interfacial interactions between material surfaces and biomolecules, we designed and developed an spiropyran (SP)-based, light-responsive functional coating with a good bioinert PG background (see section 3.3). In the normal state, the spiropyran groups on the coating surface were in hydrophobic ring- closed SP form, which could promote the nonspecific protein adsorption and cell adhesion. After UV light irradiation, the spiro ring of SP opens and converts into a hydrophilic and zwitterionic merocyanine (MC). Both hydrophilicity and zwitterions would contribute to the hydrated layer forming and, therefore, resist the protein adsorption and cell adhesion. Moreover, the controllable adsorption/desorption of proteins, attachment/detachment of cells and even dense cell sheet was also achieved on the SP functionalized coating in a noninvasive mode. This functional coating exhibited a good perspective and potential utilization in bio-responsive surface modification and tissue engineering. The current system may be most appropriate for applications which facilitate sufficient UV illumination and may show limitations when substantial tissue-penetration with light is required.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von bifunktionellen Polymerbeschichtungen mit maßgeschneiderten Oberflächeneigenschaften mit Hilfe Muschel-inspirierter Katecholchemie und "Adsorptionsvernetzungs“ von Benzophenon. Dies ermöglichte eine einfache Tauchbeschichtung unter dem Gesichtspunkt der technischen Anwendbarkeit. Mit dem entwickelten Beschichtungsverfahren konnten verschiedenste Materialoberflächen, einschließlich Metalloxide, Edelmetalle, Keramik, unpolare Polymermaterialien, inerte und niederenergetischen PDMS- und PTFE-Oberflächen sowie Nano- Grenzflächen, z.B. Graphen, Fe3O4-Nanopartikel und Nano-Diamanten erfolgreich für vielfältige biomedizinische Anwendungen modifiziert werden. Insbesondere die "adsorptionsvernetzende" Beschichtungstechnologie, welche im zweiten Projekt eingeführt wurde, hat bewiesen, dass sie effizient für komplexe 3D- PDMS-Mikrofluidikchips eingesetzt werden kann und deren potentielle Anwendung auf ein Lab-on-Chip System erweitert. Das bioinspirierte amphiphile Blockcopolymer (PG-CatPh) vereint die Konzepte der Blutproteinadsorption und Muscheladhäsion (Siehe Sektion 3.1). Der Polyglycerinblock dient hierbei als hydrophile Domäne mit ausgezeichneten Antifouling- (anwuchsverhindernden) Eigenschaften, während die Ankerdomäne drei verschiedene funktionelle Gruppen mit synergistischer Wirkung umfasst. Es wurde gezeigt, dass die PG-CatPh- Polymere sowohl auf makroskopischen planaren Oberflächen als auch auf Nanosystemen eine gleichmäßige und robuste Beschichtung bilden. Die exponierten hydrophilen Gruppen der Beschichtung behindern die unkontrollierte Bildung von multiplen Schichten und Agglomeraten, so dass diese universelle Polymerbeschichtung für Makro- und Nano-Grenzflächen geeignetist. Die dichte Monoschicht hat den Vorteil, dass sie dünn, sehr glatt und farblos ist. Mittels beschichtetem TiO2 und PS wurden die Antifouling-Eigenschaften in Proteinadhäsions- und Zelladhäsionsversuchen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass unspezifische Interaktionen verhindert werden. Spezifische Wechselwirkungen mit Zellen konnten durch Postfunktionalisierung der terminalen Gruppen mit cyclischem RGD erreicht werden. Eine zelluläre Adhäsion und Ausbreitung konnte hierdurch sogar auf Teflonoberflächen erzeugt werden. Die entwickelte universell einsetzbare Monoschicht stellt somit eine neue Plattform für die Modifizierung von Materialoberflächen dar und kann für eine Vielzahl von Biointerface-Anwendungen genutzt werden. Mit einzelnen Proteinen in Lösung sowie komplexen Medien wie Serum traten jedoch Wechselwirkungen mit der PG-CatPh-Beschichtungen auf. Dies könnte auf die auf die schwache Polymer- Substrat-Wechselwirkung, eine zu geringe Beschichtungsdichte oder eine mögliche Bürstenkonformationsänderung während der Nachvernetzung zurückzuführen sein. Aus diesem Grund wurde eine dichte, bifunktionelle und beständige Monoschicht-Bürstenbeschichtung für verschiedene unpolare Oberflächen entwickelt. Hierfür wurde die "Adsorptions- Vernetzungs"-Technologie unter Verwendung von bifunktionellen amphiphilen Blockcopolymeren mit Benzophenon (BPh) als reaktivem Anker weiterentwickelt (Siehe Sektion 3.2). Die optimierte Hydrophobie des BPh-Funktionsblocks ermöglichte es BPh als direkten Anker für unbehandelten Oberflächen zu verwenden und dadurch die Materialoberfläche zu modifizieren. Die adsorbierten BPhs initiieren eine nicht selektive Ketteninsertions-Vernetzungsreaktion mittels UV-Bestrahlung. Dadurch wird ermöglicht die Polymerketten entweder auf Substraten, welche aliphatische CH-Gruppen über kovalente Bindung präsentierten, oder auf anderen Substraten durch multivalente Adsorption und kovalente Vernetzung zu immobilisieren. Dieses Verfahren führt zu einer ultradünnen, glatten und sehr stabilen Monoschicht-Bürstenbeschichtung. Neben den Beschichtungen auf planaren 2D-Oberflächen können die PG-BPh-Polymere auch zum Beschichten komplexer 3D-Systeme, z. B. Mikrofluidikkanälen, verwendet werden. Aufgrund der hohen Beschichtungsdichte wiesen die modifizierten unpolaren Oberflächen hervorragende Antifouling-Eigenschaften auf und waren mindestens ein Jahr in physiologischem Puffer stabil. Die in-situ- Postmodifizierung mit spezifischen Liganden, z. B. Mannose, ermöglichte hochspezifische Protein- und Bakterienadsorption durch multivalente Protein- Kohlenhydrat-Wechselwirkungen. Daher bietet diese hochstabile Monoschicht- Beschichtung eine neue Technologie für die universelle Modifikation Materialoberflächen und kann in einer Vielzahl von Biomedizinischen- Anwendungen eingesetzt werden. Die Arbeit eröffnet damit neue Wege für die Modifizierung unpolarer Materialoberflächen durch in-situ-Immobilisierung mit einer Vielzahl von selektiven Biomolekülen. Um die Wechselwirkungen zwischen Materialoberflächen und Biomolekülen dynamisch zu steuern, wurde außerdem eine Spiropyran (SP)-basierte, lichtempfindliche funktionelle Beschichtung mit einem einer bioinerten PG-Basisbeschichtung entwickelt (Siehe Sektion 3.3). Normalerweise befinden sich die SP-Gruppen auf der Beschichtungsoberfläche in einer hydrophoben, ringgeschlossenen SP-Form, so dass die unspezifische Proteinadsorption und Zelladhäsion gefördert wird. Nach Bestrahlung mit UV- Licht öffnet sich der Spiroring von SP und wandelt sich in ein hydrophileS und zwitterionisch Merocyanin (MC) um. Sowohl Hydrophilie als auch Zwitterionen tragen zur Bildung der hydratisierten Schicht bei und erschweren eine Proteinadsorption und Zelladhäsion. Darüber hinaus wurde die kontrollierte Adsorption und Desorption von Proteinen, das Anheften und Ablösen von Zellen sowie eine dichte Zellschicht durch die SP-funktionalisierten Beschichtung nicht-invasiv erreicht. Die entwickelte funktionelle Beschichtung könnte somit Anwendung für Licht-responsiven Oberflächenmodifizierungen im Tissue Engineering finden. Das gegenwärtige System erfordert jedoch die Anwendung von UV-Licht, so dass z.B. die Lichtdurchlässigkeit von Gewebe ein limitierender Faktor ist.