Within this thesis glycerol based polymers of linear and branched architecture were synthesized as poly(ethylene glycol) (PEG) equivalents and subsequently immobilized on surfaces. Such polymer modified gold and glass surfaces revealed a significant reduction of non-specific protein adsorption and mammalian cell adhesion as compared to a hydrophobic or non-coated control surface. Furthermore, reduced bacterial cell adhesion (> 99%) was observed on polymer coated glass as compared to bare glass. Glycerol based polymers in contrast to PEG as coating materials for biocompatible surfaces offer the possibility for further derivatisation of the multiple hydroxyl groups with ligands which induce specific interaction with biomolecules. These surfaces are highly demanded in particular in the field of bioanalytics because they reveal an enhanced signal to noise ratio due to the nonfouling background. Moreover, thermoresponsive glycerol based polymers for surface modification have been developed and it was shown by such modified surfaces that non- specific protein adsorption and cell adhesion can reversibly be triggered by temperature as an external stimulus. Such switchable surfaces are of specific interest in the field of tissue engineering as biocompatible 2D or 3D matrix. Within the second part of this thesis highly functionalized polyanions based o dendritic polyglycerol were synthesized and evaluated for their anti- inflammatory potential via selectin binding. It was demonstrated that dendritic polyglycerol sulfate (dPGS) has high avidity for L- and P-selectin (IC50 values in the nanomolar range), but not for E-selectin. An in vitro structure-activity relationship revealed that dPGS binding to L-selectin increases with the degree of sulfation and the particle size. The nature of the multivalently presented anionic groups imparts L-selectin avidity and increases in the order carboxylate < phosphate < phosphonate ≈ sulfonate < bisphosphonate < sulfate. This ranking by trend reflects the increased acidity of the anionic groups. However, a straight correlation of L-selectin binding with particle size and effective charge as well as its interpretation requires further in-depth studies on the microstructure of the polyanions under the conditions of the biological assay. These in vitro and further in vivo studies suggest that dPGS as a fully synthetic heparin analogue is a promising polymeric therapeutic for diseases related to inflammation and hence is a strong candidate for a clinical trial.
In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass Glycerin-basierte Polymere mit linearer und verzweigter Struktur eine gute Alternative zu linearem Poly(ethylen glycol) (PEG) für die Beschichtung von Oberflächen darstellen. Mit diesen Polymeren konnte eine drastische Verringerung der nicht- spezifischen Adsorption von Proteinen und der Anlagerung von adhärenten Säugerzellen sowohl auf beschichteten Gold- als auch auf Glasoberflächen im Vergleich zu einer hydrophoben Kontrolloberfläche nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich im Vergleich zu einer nicht beschichteten Kontrolloberfläche weitaus weniger Bakterien auf diesen Polymer- modifizierten Oberflächen ansiedeln. Glycerin-basierte Polymere als Beschichtungsmaterial für biokompatible Oberflächen bieten im Vergleich zu PEG die Möglichkeit einer weiteren Derivatisierung der OH-Gruppen mit Liganden für die gezielte Wechselwirkung mit Biomolekülen. Solche Oberflächen sind insbesondere im Bereich Bioanalytik gefragte Materialien, da sie durch den Protein-resistenten Untergrund ein verbessertes Signal/Rausch Verhältnis aufweisen. Des Weiteren konnte mittels thermosensibler Glycerin-basierter Polymere gezeigt werden, dass die Protein- und Zellresistenten Eigenschaften dieser Polymere auf Oberflächen Temperatur gesteuert und reversibel „ein- und ausgeschaltet“ werden können. Solche schaltbaren Oberflächen haben insbesondere im Bereich Tissue Engineering hohes Potential als biokompatible 2D- oder 3D-Matrix. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden hochfunktionalisierte Polyanionen auf Basis von dendritischem Polyglycerin hergestellt und hinsichtlich ihres anti-inflammatorischen Potentials via Selektinbindung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass dendritisches Polyglycerinsulfat (dPGS) mit hoher Affinität (IC50 Werte im nanomolaren Bereich) sowohl an L- als auch an P-Selektin bindet, jedoch nicht an E-Selektin. Eine in vitro Struktur-Aktivitäts-Studie wies auf, dass die Bindung von dPGS an L-Selektin sowohl mit dem Grad der Sulfatierung als auch mit der Partikelgröße zunimmt. Dabei bewirkt die chemische Natur der multivalent präsentierten anionischen Gruppen auf dem dendritischen Polyglycerin eine Steigerung der Affinität in der Reihenfolge Carboxylat < Phosphat < Phosphonat ≈ Sulfonat < Bisphosphonat < Sulfat. Diese Reihung entspricht tendenziell einer zunehmenden Säurestärke der anionischen Gruppe, während die direkte Korrelation der L-Selektin Bindung mit Partikelgröße und Zetapotential sowie deren Interpretation weiterer detaillierter Studien der Mikrostruktur der Polyanionen unter den Bedingungen des biologischen Experiments erfordern. Mittels dieser in vitro und weiterer in vivo Studien konnte gezeigt werden, dass dPGS als vollsynthetisches Heparinanalogon ein viel versprechendes polymeres Therapeutikum für entzündliche Erkrankungen und daher ein geeigneter Kandidat für eine klinische Studie ist.
