Sulfoxide-containing polymers: New double stimuli responsive materials and nanocarriers for dermal delivery

Abstract

The identification of new functional moieties and chemical reactions that are inspired by small molecules is crucial in modern nanotechnological research. Their incorporation into either polymer backbones or side group structures opens up new and innovative pathways for the development of dynamic and responsive polymer architectures. In this regard, sulfoxide-containing polymers are materials that are governed by the outstanding physicochemical properties of the sulfoxide moiety. Its high hydrophilicity translates into polymers with very low cytotoxicity and excellent biocompatibility. Thus, making them interesting candidates for biomedical applications. However, this pure hydrophilicity also limits the potential of this interesting polymer class. Overcoming this limitation, to gain access to new adaptive and tailor-made sulfoxide-containing polymers with additional areas of applications, remains a challenge. In this work, this challenge was approached in two ways. First, new dynamic and responsive properties of polysulfoxides were introduced via a rational molecular design. Here, by controlling the amphiphilic balance of alkyl sulfoxide groups a temperature-responsive polymer profile was realized. Furthermore, an additional stimuli response was achieved by utilizing the oxidation of the polar sulfoxides to the respective hydrophobic sulfones. As a result, the polymer properties could be extended from its pure hydrophilic nature to a multistimuli- responsive behavior. Second, new interactions at the biointerface were assessed though the incorporation of sulfoxide moieties in colloidal systems. By decorating biocompatible nanogels with the outstanding skin interaction properties of sulfoxide groups, a promising new approach was developed to expand the toolbox of dermal delivery vehicles. Here, dimethyl sulfoxide-inspired nanogels showed the strong potential to increase dermal drug delivery while circumventing the skin disrupting disadvantages of the small molecule. Overall, this thesis exemplifies the strong synergy between the unique properties of the sulfoxide moiety and its structure-property relationship in macromolecules. As a result, a new family of adaptive sulfoxide-containing polymers and colloids were developed with potential applications in bionanotechnology.

Die Identifizierung neuer funktioneller Gruppen und chemischer Reaktionen, die von kleinen Molekülen inspiriert sind, ist entscheidend für die moderne nanotechnologische Forschung. Ihr Einbau entweder in Polymerrückgrate oder Seitengruppenstrukturen eröffnet neue und innovative Wege für die Entwicklung dynamischer und reaktionsfähiger Polymerarchitekturen. In dieser Hinsicht stellen sulfoxidhaltige Polymere Materialien dar, die von den herausragenden physikochemischen Eigenschaften der Sulfoxidgruppe abhängen. Ihre hohe Hydrophilie führt zu Polymeren mit sehr geringer Zytotoxizität und ausgezeichneter Biokompatibilität. Das macht sie zu interessanten Kandidaten für biomedizinische Anwendungen. Allerdings schränkt diese reine Hydrophilie auch das Potenzial dieser interessanten Polymerklasse ein. Die Überwindung dieser Limitierung, um Zugang zu neuen adaptiven und maßgeschneiderten Polysulfoxide mit zusätzlichen Anwendungsgebieten zu erhalten, bleibt jedoch eine Herausforderung. In dieser Arbeit wurde diese Herausforderung auf zwei Arten angegangen. Erstens wurden neue dynamische und responsive Eigenschaften von Polysulfoxiden über ein rationales Moleküldesign eingeführt. Hier konnte durch die Kontrolle des amphiphilen Gleichgewichts von Alkylsulfoxidgruppen ein temperaturabhängiges Polymerprofil realisiert werden. Darüber hinaus wurde eine zusätzliche Oxidationsabhängigkeit eingeführt, indem die polaren Sulfoxide zu den jeweiligen hydrophoben Sulfonen oxidiert wurden. Als Ergebnis weist das Polymer ein multiresponsives Verhalten auf. Zweitens wurden neue Wechselwirkungen an der Bio-Grenzfläche durch die Einbindung von Sulfoxidgruppen in kolloidale Systeme untersucht. Durch die Dekoration von biokompatiblen Nanogelen mit den hervorragenden Hautinteraktionseigenschaften von Sulfoxidgruppen wurde ein vielversprechender neuer Ansatz entwickelt, um den Werkzeugkasten der dermalen Verabreichungsvehikel zu erweitern. Hier zeigten Dimethylsulfoxid-inspirierte Nanogele das starke Potenzial, die topische Wirkstoffabgabe zu erhöhen und gleichzeitig die hautstörenden Nachteile des kleinen Moleküls zu umgehen. Insgesamt veranschaulicht diese Arbeit die starke Synergie zwischen den einzigartigen Eigenschaften der Sulfoxidgruppe und ihrer Struktur-Eigenschafts-Beziehung in Makromolekülen. Als Ergebnis wurde eine neue Familie adaptiver sulfoxidhaltiger Polymere und Kolloide mit potenziellen Anwendungen in der Bionanotechnologie entwickelt.