Microgels are very attractive materials which have been employed for a wide range of applications and in particular for the detection, retrieval and elimination of bacteria. The current microgels however present some major limitations since they are most often not biocompatible and show low performance due to their restricted loading capacity. Therefore a novel platform of microgels based on functional porous PEG hydrogel microparticles is presented in this thesis and evaluated for both the removal of bacteria and potential delivery of drugs. These microgels are based on a biocompatible PEG scaffold which reduces unspecific interactions and allows for surface functionalization. In addition, they feature internal pores of a few tens of nanometers allowing for a more efficient loading of drugs and nanoparticles as well as larger pores of a few microns on the surface of the particles for the binding of a higher number of bacteria. Such porous PEG microgels are prepared by a hard templating method based on porous CaCO3 microparticles. This strategy allows for an exact inverse replication of CaCO3 microparticles into PEG microgels and provides the expected porosity. These microgels are thereafter functionalized via benzophenone-based radical surface chemistry and amide bond formation. Mannose ligands are thereby introduced for bacteria targeting and cationic amines are incorporated for the loading of model drugs and nanoparticles via electrostatic interactions. For the retrieval of bacteria, these microgels are then made magnetic by loading with superparamagnetic nanoparticles. The resulting magnetic, porous, sugar- functionalized (MaPoS) PEG microgels are able to selectively bind strains of bacteria E. coli via carbohydrate-protein interactions and remove them by simply using a magnet. Compared to the standard microparticles, these microgels allow for the binding of two to three times more bacteria and higher yields of removal at high concentrations of bacteria. For the potential delivery of drugs, the porous PEG microgels are made pH-sensitive by functionalization with ammonium-carbamate moieties via the reaction of CO2 with amines. The resulting microgels are able to switch their charge from negative at pH 10 to positive at pH 5 and therefore can be loaded with both cationic and anionic model drugs under these conditions and release them at pH values between 5 and 7.4 via electrostatic interactions. Compared to PEG microgels purely functionalized with carboxylate or ammonium groups, the PEG- ammoniumcarbamate microgels lead to a release up to eight times more efficient under physiological pH conditions. Overall, the presented functional porous PEG microgels show great potential for the treatment of bacteria but also for a wider range of biotechnological and biomedical applications, such as the bioseparation of cells, detection of viruses, purification of proteins or catalysis.
Mikrogele gehören zu einer sehr interessanten Klasse von Materialien, die in vielen verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technologie ihre Anwendung finden, insbesondere für die Detektion, Isolierung und Eliminierung von Bakterien. Die Anwendung etablierter Mikrogel-Systeme ist allerdings eingeschränkt, weil die meisten dieser Systeme häufig eine geringe oder keine Biokompatibilität aufweisen und ihre Beladungskapazität begrenzt ist. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden daher neuartige Mikrogele untersucht, welche aus porösen PEG-Hydrogelen bestehen. Diese sind sowohl für die Isolierung von Bakterien als auch für weitere potenzielle Anwendungen im Bereich des Drug Delivery interessant. Das PEG-Grundgerüst dieser Mikrogele erlaubt eine einfache chemische Funktionalisierung und vermeidet unspezifische Wechselwirkung mit dem Zielobjekt. Außerdem verfügen diese PEG-Mikrogele im Inneren über Nanometer kleine Poren, die für eine effiziente Beladung mit kleinen Wirkstoffmolekülen geeignet sind, und auf der Partikeloberfläche über wesentlich größere (Mikrometer) Poren, die eine erhöhte Anbindung etwa von Bakterien erlauben. Zur Herstellung dieser porösen PEG Mikrogele werden poröse CaCO3 Mikropartikeln als harte Template genutzt, wodurch eine exakte inverse Kopie der CaCO3 Mikrostruktur samt ihrer Porosität auf dem PEG-Gel abgebildet werden kann. Eine Funktionalisierung der PEG Mikrogele mit Mannose-Liganden oder Amingruppen kann anschließend mit Hilfe der Benzophenon-Radikal-Chemie unter Bildung von Amidbindungen realisiert werden. Die Mannose- Funktionalitäten werden für die Anbindung der Bakterien verwendet und die Amin-Funktionalitäten für die Beladung der Mikrogele mit Modell- Wirkstoffmolekülen und/oder Nanopartikeln, die auf elektrostatischen Wechselwirkungen beruht. Durch eingelagerte Eisenoxid-Nanopartikel werden die Mikrogele magnetisch, was eine einfache Isolierung/Entfernung der Bakterien ermöglicht. Die porösen, magnetischen und mit Zucker funktionalisierten PEG Mikrogele (MaPoS) sind in der Lage sehr selektiv bestimmte Stämme der E.Coli Bakterien zu binden. Mit Hilfe eines Magneten können die an die Mikrogele gebundenen Bakterien dann einfach gesammelt oder entfernt werden. Im Vergleich zu gängigen Mikropartikeln können die MaPoS Mikrogele die zwei- bis dreifache Menge an Bakterien binden und somit eine höhere Ausbeute realisieren. Mögliche Anwendungen im Bereich des Drug Delivery eröffnen sich durch die Umwandlung der Amingruppen mit CO2 zu Ammonium-Carbamat Funktionalitäten, wodurch pH- sensitive PEG Mikrogele entstehen. Durch eine Änderung des pH-Wertes von pH 10 auf pH 5 kann die Oberflächenladung der pH-sensitiven Mikrogele von negativ auf positiv umgeschaltet werden, was somit eine Beladung sowohl negativ- als auch positiv-geladener Wirkstoffe ermöglicht. Eine Freisetzung wird dann zwischen pH 5 und 7.4 erreicht. Bei einem physiologischen pH ist die Wirkstofffreisetzung dieser Carbamat-funktionalisierten PEG-Mikrogele ca. 8-mal höher als bei den gängigen Carboxy- oder Ammonium-funktionalisierten PEG-Mikrogelen. Die im Rahmen dieser Doktorarbeit präsentierten funktionalisierten und porösen PEG Mikrogele stellen eine neue Plattform funktionaler Mikrogele dar und weisen ein großes Potenzial für verschiedenste Anwendungen im Bereich der Lebenswissenschaften, wie z.B. Biotechnologie und Biomedizin auf.
