Thermoresponsive Poly(glycidyl ether)s for Cell Sheet Fabrication

Abstract

Within this thesis we correlated surface parameters of thermoresponsive poly(glycidyl ether) (PGE) coatings with the respective biological response and derived structural design guidelines for functional coatings suitable for cell sheet fabrication. Copolymers of GME and EGE with different molecular weights and comonomer ratios were synthesized by monomer-activated and non- activated anionic ring-opening polymerization, resulting in random and gradient copolymers, respectively. The comonomer distribution within the polymer, comonomer ratios and molecular weight of poly(GME-ran-EGE) as well as concentration and salt content in solution were investigated for their impact on the thermal behavior of the polymer in aqueous solution. The copolymers’ phase transition temperature decreased with increasing EGE comonomer content, molecular weight, and polymer as well as salt concentration. The sharpness of the phase transition increased with increasingly equal distribution of the two comonomer within the copolymer, increasing molecular weight and concentration. To investigate the impact of surface parameters of thermoresponsive PGE coatings on the protein adsorption, cell adhesion and cell sheet detachment, we equipped polymers with different sulfur-containing anchor groups and assembled these polymers on gold surfaces. Layer thickness and grafting density were adjusted by the molecular weight of the polymer, the particular sulfur-containing anchor moiety as well as by the coating procedure, grafting under full solubility conditions from an ethanol solution or grafting under cloud point condition from PBS buffer at 32 °C. The respective coatings were investigated for their surface morphology by AFM measurements as well as their "wet" and "dry" layer thickness by QCM-D and ellipsometry measuremts, respectively. Surface characterizing parameters such as grafting density, interchain anchor distance (l) and degrees of chain overlap (2 R l-1) were calculated from the layer thicknesses, the polymers' molecular weights, density, degree of hydration and the polymer coils' radii (R = Rg, Rf,bad, Rf,θ). The surface coverage and the polymers' conformation within the monolayer coating were assessed by the degrees of chain overlap (brush regime: 2 R l-1>1.4; mushroom-like regime: 2 R l-1<1). We obtained PGE coatings in the mushroom-like and the brush regime with both laterally homogeneous and inhomogeneous morphologies depending on the coating procedure and molecular weight. Correlations of surface parameters with cell response revealed successful cell adhesion and cell sheet detachment only for PGE coatings on gold with homogeneous morphology and full surface coverage under cell detaching conditions, thus for 2 Rf,θ l-1>1. These two prerequesits for functional glycidyl ether-based coatings were considered for a sophisticated transfer of these coatings from the model substrate gold to the more application-relevant substrates glass. A block copolymer consisting of a thermoresponsive poly(GME-ran-EGE) block and an amine-containing anchor block was assembled on glass substrates and proved suitable for cell adhesion as well as for reliable and fast cell sheet deachment.

Im Rahmen dieser Arbeit haben wir Oberflächenparameter temperatursensibler Poly(glycidylether)beschichtungen mit dem Verhalten von Proteinen und Zellen auf diesen Oberflächen korreliert. Daraus haben wir Struktur-Design Parameter für funktionale Beschichtungen mit Einsatz in der Herstellung von Zellmonolagen abgeleitet. Statistische Copolymere und Gradientcopolymere, bestehend aus GME und EGE, wurden mit verschiedenen Molekulargewichten und Comonomerverhältnissen mittels monomeraktivierter und nicht aktivierter anionischer ringöffnender Polymerisation hergestellt. Die Comonomerverteilung innerhalb des Polymers, das Comonomerverhältnis und das Molekulargewicht von Poly(GME-ran-EGE) sowie Konzentration und Salzgehalt der Lösung wurden auf ihren Einfluss auf das thermische Verhalten der Polymere in wässrigen Lösungen untersucht. Die Temperatur am Phasenübergang sank mit steigendem EGE Anteil, steigendem Molekulargewicht, steigender Konzentration und steigendem Salzgehalt. Der Phasenübergang gewann mit gleichmäßigerer Verteilung der Comonomer im Copolymer, mit steigendem Molekulargewicht und steigender Konzentration an Schärfe. Temperatursensible Poly(glycidylether) wurden mit verschiedenen schwefelhaltigen Ankergruppen ausgestattet und auf Goldoberflächen angeordnet um den Einfluss von Oberflächenparametern der Beschichtungen auf Proteinadsorption, das Anhaften von Zellen und das Ablösen von Zellmonolagen zu untersuchen. Durch die Auswahl von Molekulargewicht, schwefelhaltiger Ankergruppe und Beschichtungsmethode konnten Schichtdicke und Kettendichte gezielt beeinflusst werden. Beschichtet wurde entweder aus Ethanollösungen unter Bedingungen vollständiger Löslichkeit des Polymers oder unter Trübungspunktbedingungen aus Polymerlösungen mit PBS Puffer als Lösungsmittel bei 32 °C. Morphologie, "Nass-" und "Trockenschichtdicke" der jeweiligen Beschichtungen wurden mittels AFM, QCM-D und Ellipsometrie Messungen untersucht. Aus den Schichtdicken der Beschichtung kombinierte mit Molekulargewicht, Dichte, Hydratisierungsgrad und Kettenradius (R = Rg, Rf,bad, Rf,θ) der Polymere wurden oberflächenspezifische Parameter wie Kettendichte, Ankerabstand (l) und Überlappungsgrad (2 R l-1) der Polymerketten berechnet. Der Grad der Oberflächenabdeckung durch das Polymer sowie die Konformation des Polymers in den Beschichtung wurden durch den Wert des Überlappungsgrads der Polymerketten abgeschätzt. Ist der Wert von 2 R l-1 größer 1.4 wird die Beschichtung dem Bürstenregime zugeordnet, für Werte von 2 R l-1 kleiner 1 wird eine pilzartige Struktur der Polymerketten auf der Oberfläche angenommen. Es wurden Poly(glycidylether)beschichtungen mit Polymerketten in pilzartiger und bürstenartiger Struktur sowie Beschichtungen mit homogener und inhomogener Morphologie erhalten. Die Korrelation von Oberflächenparametern mit dem Zellverhalten zeigte ein erfolgreiches Anhaften von Zellen und Ablösen intakter Zellmonolagen lediglich für Poly(glycidylether)beschichtungen mit homogener Morphologie und vollständiger Oberflächenabschirmung unter Bedingungen des Zellablösens, also für Werte von 2 Rf,θ l-1 großer 1. Diese beiden Voraussetzungen für die Funktionalität der glycidlyether-basierten Beschichtungen, in Bezug auf das Ernten von Zellschichten, wurden für einen gezielten Transfer des Systems von dem Modelsubstrat Gold auf das anwendungsrelevante Substrat Glass berücksichtigt. Ein Blockcopolymer bestehend aus einem temperatursensiblen Poly(GME-ran- EGE)block und einem aminhaltigen Ankerblock wurde zu Beschichtung der Glasssubstrate verwendet und seine Eignung für das Anhaften von Zellen und das verlässliche und schnelle Ablösen von Zellmonolagen konnte bestätigt werden.