Mussel-Inspired Polyglycerols as Universal Bioinert and Multifunctional Coatings

Abstract

In this thesis, a set of universal polymer coatings with tunable chemical activity and bioinertness were developed by mussel-inspired catecholic hyperbranched polyglycerols (hPGs) via simple dip coating. A wide range of material surfaces, including metal oxides, noble metals, ceramics, and polymers, were successfully modified by these new coatings to achieve versatile biomedical applications. Under weak basic condition, parts of the catechol groups in the catecholic hPGs can be spontaneously oxidized to quinones which can crosslink with each other. The remaining catechol groups still anchored the polymers to the substrates, while the crosslinking of the quinones caused the formation of multilayer coatings. In the case of acidic conditions, the oxidation can be avoided, thus catechol groups can only serve as anchors to result in monolayer coatings. However, monolayer coatings are only stable on metal and metal oxide surfaces, on which catechols form coordinative bonds with the surface metal atoms. Moreover, a single catechol group even failed to efficiently anchor hPG molecules on metal oxide surface due to the oxidative detachment. Therefore, it is necessary to employ multivalent anchoring for long-term stable coatings. As a result, only the multivalently anchored and crosslinked multilayer coatings can be stabilized on various surfaces. Bioinert surface coatings can be directly prepared by catecholic hPGs with appropriate amount of catechol groups. Thirty percent of catechol functionalization switched the bioinert hPG to a protein-adhesive molecule, because quinones strongly interact with amine and thiol groups in proteins. As mentioned above, single catechol anchor group suffers oxidative detachment. Our results revealed that hPGs with 5 to 10 percent of catechol functional degree showed an excellent antifouling performance, and at the same time, can generate stable multilayer coatings. However, there were still a few free catechol groups exposed on the surface of the coatings. In order to generate perfect bioinert hPG surfaces, hierarchical hPG multilayer coatings were developed. In this case, mono-catecholic hPGs were used to terminate all of the free catechol groups and to construct a flexible bioinert top layer via quinone crosslinking. In addition, an extra chemically active catecholic hPG foundation layer can stabilize coatings even on chemically inert substrates including polytetrafluoroethylene (PTFE). This foundation layer can be further shielded by the above mentioned bioinert catecholic hPGs, and the mono- catecholic hPG terminal layer via the same chemistry. As a result, the chemical activity of this new type of coatings gradually decreases and the bioinert property gradually increases from bottom to top. With these characteristics, this new architecture was employed to form a highly stable material-independent surface coating with outstanding antifouling properties. The highly adhesive catecholic hPG that used as foundation layer contains 40% of catechol groups and 60% of amine groups. Both two kinds of functional groups are abundant in mussel foot proteins (mfps) and play key roles in the rapid formation of mussel byssus. Furthermore, the molecular weight of this catecholic hPG reaches 10 kDa, which is similar to the most adhesive mussel foot protein mfp-5 (about 9 kDa). Also, the dendritic structure, exhibits a relatively distinct “interior”, and exposes its functional groups on the surface of the polymer, while natural proteins exhibit important domains on the surface as well. Based on the mimicry of functional groups, molecular weight, and molecular structure, this new mussel-inspired hPG formed a considerably stable coating on virtually any type of material surface within 10 min or a micrometer scale coating in hours, which is comparable to the formation of mussel byssal threads in nature. Functional molecules, like collagen A and rhodamine B, can be post-functionalized or pre-functionalized to the coatings to generate different kinds of functional biosurfaces. Additionally, the controllable surface roughness resulted in superhydrophilic or superhydrophobic surface properties for self-cleaning applications. This bioinspired copy of mussel foot proteins reaches a new level of functional mimicry. What more can we learn from these proteins to design synthetic molecules for material surface modification? Mussels employ thiol-rich mfp-6 to reduce quinones in the adhesive interface back to catechols to enhance its adhesion, while inside catechols can be oxidized to quinones to enhance cohesion. How to achieve controllable redox balance of catechol groups in coatings remains a tremendous challenge and can be a direction to develop next generation of mussel-inspired coatings. Besides catecholic surface chemistry, mussels also employ hydrophobic aromatic sequences, mainly present in mfp-3 “slow”, on the one hand to retard oxidation of catechols by shielding the groups from aqueous solution, on the other hand to increase the hydrophobic interaction which is not pH dependent. Combining this hydrophobic interaction with catecholic chemistry, universal polymer coatings with well defined thickness and surface morphology may be achieved.

Die vorliegende Arbeit beschreibt neuartige Polymerbeschichtungen mit einstellbaren chemischen und bioinerten Eigenschaften, welche durch einfaches Eintauchen in von Muscheln-inspirierten brenzcatechinhaltigen, hyperverzweigten Polyglycerinen (hPG) hergestellt werden können. Eine große Anzahl von Materialoberflächen, wie zum Beispiel die von Metalloxiden, Edelmetallen, Keramiken und Polymeren können mit Hilfe dieser neuartigen Beschichtung modifiziert werden, wobei unterschiedlichste biomedizinische Anwendungsfelder adressierbar sind. Unter leicht basischen Reaktionsbedingungen gelingt es Teile der Brenzcatechingruppen der hyperverzweigten Polyglycerine (hPG) spontan zu Chinonen zu oxidieren, welches zu einer Vernetzung innerhalb der Moleküle führt und hierdurch eine Multilagenbeschichtungen entsteht. Die übrig gebliebenen Brenzcatechingruppen dienen als stabile Anker für das hPG an die Substratoberfläche. Im Fall von sauren Reaktionsbedingungen wird die Oxidation vermieden und die vorhandenen Brenzcatechingruppen können hierdurch als Anker dienen, wobei nur Monolagen des hPG ausgebildet werden. Solche Monolagenbeschichtungen sind nur stabil auf Metall- und Metalloxidoberflächen, bei welchen die Brenzcatechingruppen koordinative Bindungen mit den Metallatomen an der Oberfläche ausbilden können. Anzumerken ist hierbei, dass eine einzelne Brenzcatechingruppe nicht in der Lage ist das hPG Molekül fest an die Metalloxidoberfläche anzukoppeln, da es hier zu einer oxidativen Ablösung kommen kann. Vor diesem Hintergrund müssen für eine feste Oberflächenankopplung auf unterschiedlichsten Substraten multivalente und vernetzte Multilagenbeschichtungen verwendet werden. Bioinerte Oberflächenbeschichtungen können direkt durch die Verwendung von hPGs mit entsprechend eingestellten Brenzcatechingruppenanteilen erzeugt werden. Hierdurch können vorher bioinerte hPGs durch die Funktionalisierung mit 30% Brenzcatechingruppen zu für Proteine adhäsive Moleküle umgewandelt werden. Dies beruht auf den nun vorhandenen Chinongruppen, welche mit den Amino- und Thiolgruppen der Proteine reagieren können. Wie oben erwähnt, haben einzelne Brenzcatechingruppen den Nachteil, dass diese als Ankergruppen oxidativ abgelöst werden können. Die erhaltenen Daten belegen, dass hPGs mit fünf bis zehn Prozent Brenzcatechinfunktionalisierung exzellente Antifouling- Eigenschaften aufweisen und stabile Multilagenbeschichtungen generieren. Nur wenige freie Brenzcatechingruppen sind hierbei an der Oberfläche vorzufinden. Zur Herstellung perfekter bioinerter hPG Oberflächen wurden in dieser Arbeit eine neue hierarchische hPG Multilagenbeschichtungen entwickelt. Hierfür wurden für den Aufbau einer flexiblen bioinerten äußeren Schicht die freien Brenzcatechingruppen mit monobrenzcatechinhaltigen hPGs über Chinonvernetzung terminiert. Zusätzlich kann mit Hilfe einer weiteren chemisch aktiven brenzcatechinhaltigen hPGs Grundschicht eine stabile Beschichtung selbst auf inerten Materialien, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), erreicht werden. Im Ergebnis führte die Kombination der Grundschicht mit einer äußeren Schicht dazu, dass die chemische Reaktivität graduell abnahmen und die bioinerten Eigenschaften graduell zunahmen – dies von der Grundschicht zur äußeren Schicht. Hierdurch konnte eine neue Schichtarchitektur erzeugt werden, die sich durch eine hochstabile und materialunabhängige Beschichtung mit hervorragenden Antifouling-Eigenschaften auszeichnete. Dieses hochreaktive brenzcatechinhaltige hPG-Schicht enthält 40% Brenzcatechin- und 60% Aminogruppen. Diese beiden funktionellen Gruppen sind auch in den mfp Proteinen des Muschelfußes (Muschelfußprotein = mfp) vorzufinden und spielen hier eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung des Byssusklebapparates der Muscheln. Die in dieser Arbeit vorgestellten brenzcatechinhaltigen hPG weisen mit etwa 10 kDa eine molekulare Masse auf, welche sehr ähnlich zu der des Muschulfußproteins mfp-5 ist (ungefähr 9 kDa). Weiterhin ist festzustellen, dass die dendritische Struktur der hPG ein kompaktes Inneres aufweist und die funktionellen Gruppen an der Oberfläche des Polymers zu finden sind – eine weitere Ähnlichkeit zu natürlichen Proteinen, die ebenfalls wichtige Bindungsdomänen an der Oberfläche tragen. Auf Basis der biomimetisch funktionalen Gruppen, der molekularen Masse und der molekularen Struktur ist das hier beschriebene von Muscheln inspirierte hPG in der Lage, innerhalb von 10 Minuten auf nahezu allen Oberflächen stabile Beschichtungen auszubilden, die sogar nach wenigen Stunden Dicken im Mikrometerbereich ausmachen können. Hierdurch ist das neue hPG Polymer vergleichbar mit dem Byssussystem der Muschel. Die beschriebenen brenzcatechinhaltigen hPG Beschichtungen können anschließend mit unterschiedlichen bioaktiven Fähigkeiten mit Biomolekülen wie Kollagen A oder Rhodamine B ausgestattet werden. Zusätzlich kann die Oberflächenrauheit gezielt eingestellt werden, um z.B. superhydrophobe oder superhydrophile Oberflächeneigenschaften zu erhalten. Dieses kann u.a. für das Design von selbstreinigenden Oberflächen genutzt werden. Die hier vorgestellten Daten tragen dazu bei, die biomimetischen Ansätze im Bereich der Muschelfußproteine auf eine neue Entwicklungsstufe zu bringen. In diesem Kontext stellt sich die Frage, welche weiteren chemische Zusammenhänge von diesen Muschelproteinen gelernt werden können, um innovative Materialien für synthetische Oberflächenfunktionalisierungen zu generieren. So nutzen zum Beispiel die Muscheln das thiolgruppenhaltige Protein mfp-6, um Chinone an der Adhäsionsgrenzschicht zu Brenzcatechingruppen zurück zu reduzieren und hierdurch die Adhäsion zu verbessern. Im Inneren des Proteinklebstoffes werden dahingegen die Brenzcatechine zu Chinonen oxidiert, um hierdur die Kohäsion des Klebstoffes zu verbessern. Die Kontrolle des Redox-Gleichgewichtes der Brenzcatechingruppen in einer Muschel-inspirierten Beschichtung bleibt bis heute eine Herausforderung, könnte aber eine Richtung für nachfolgende Forschungsarbeiten darstellen. Neben der brenzcatechinbasierten Oberflächenchemie, nutzen Muscheln hydrophobe aromatische Sequenzen – vor allem im Protein mfp-3, zum Einen, um die Oxidation der Brenzcatechingruppen zu verlangsamen, wobei hier die Abschirmung der Gruppen von der wässrigen Umgebung im Vordergrund steht. Zum Anderen werden hierdurch, in einem pH unabhängigen Prozess, die hydrophoben Interaktionen im Klebstoff erhöht. Die Kombination der hydrophoben Interaktionen mit der Brenzcatechinchemie könnte genutzt werden, um eine neue Generation von biomimetischen Beschichtungen von Polymeren zu erzeugen, wobei die Schichtdicke und die Oberflächenmorphologie gezielt eingestellt werden kann.