dc.contributor.author
Behra, Muriel
dc.date.accessioned
2018-06-07T20:19:43Z
dc.date.available
2013-07-25T09:05:35.443Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/6782
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-10981
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.format.extent
XXIX, 89 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
poly(ethylene glycol)
dc.subject
functionalization
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie
dc.title
Synthesis of Functional Porous Poly(ethylene glycol) Microgels for
Biotechnological Applications
dc.contributor.contact
muriel.behra@mpikg.mpg.de
dc.contributor.firstReferee
Dr. Laura Hartmann
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Rainer Haag
dc.date.accepted
2013-06-19
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000094657-7
dc.title.translated
Synthese von funktionalen porösen Poly(ethylenglycol)-Mikrogelen für
biotechnologische Anwendungen
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000094657
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000013682
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access