Synthese und Charakterisierung von Nanohydrogelschichten auf Polymeroberflächen

Abstract

Die vorliegende Arbeit zeigt einen Weg auf, mit dem auf Basis von Additions- und Kondensationsreaktionen dünne (10 – 100 nm) Polyethylenglykol-Schichten auf Polymeroberflächen hergestellt werden können. Dazu wurden O,O’-Bis-(2-Aminoethyl)oligoethylenglykole mit einem trifunktionellen Epoxid oder Säurechloriden auf der Oberfläche zur Reaktion gebracht. Durch die Reaktionsführung und die eingesetzten Ausgangsstoffe lässt sich die Dicke, die Maschenweite, die Art und die Konzentration der funktionellen Gruppen variieren. So wurden Netzwerke mit COOH, NH2- und OH-Gruppen hergestellt. Durch Zusatz eines dritten Ausgangsstoffes wurden weitere Gestaltungsmöglichkeiten für die Funktionalisierung eröffnet. Somit konnte die Konzentrationen von COOH-Gruppen erhöht oder Biotin in das Netzwerk integriert werden. Die Netzwerke quellen in Wasser zu einer dünnen Gelschicht, die insbesondere für biologische Anwendungen interessant sein kann. Die Netzwerke können beispielsweise als Beschichtung eines Mikroarrays nützlich sein, welche für die medizinische Diagnostik von Bedeutung sind. In üblichen Mikroarrays werden die Moleküle in der Fläche gebunden, wobei sich ihre räumliche Struktur und damit ihre ursprüngliche biologische Funktion verändern kann. Damit Proteine in das Netzwerk diffundieren können, muss die Maschenweite auf eine ausreichende Größe eingestellt werden. Es kann gezeigt werden, dass Netzwerke auf der Oberfläche mit einer Maschenweite von mehr als 20 nm hergestellt wurden. Zur Demonstration der hohen Aufnahmekapazität der Netzwerke wird das Protein Streptavidin in sechsmal höherer Konzentration an Biotin gebunden, als es auf einer 2D-Oberfläche möglich ist. Auf Grund der niedrigen Konzentration der funktionellen Gruppen im Bereich von pmol cm-2 ist eine Mehrfachreaktion mit den Proteinen unwahrscheinlich. Die Analytik von Netzwerken auf Oberflächen stellt eine besondere Herausforderung dar. Diese konnte unter anderem mit Röntgen-photoelektronenspektroskopie (XPS) in Kombination mit chemischer Derivatisierung realisiert werden. Es wird gezeigt, wie sich mit diesem Ansatz die Abstände zwischen zwei Verzweigungen in dem Netzwerk bestimmen lassen. Zur Ermittlung der Konzentration der funktionellen Gruppen im Netzwerk wird die Fluoreszenzspektroskopie eingesetzt. Es wird versucht eine Einheit zwischen Synthese, Analytik und Technologie herzustellen.

This work describes an new approach to the production of nanoscale (thickness: 10 – 100 nm) polyethylene glycol networks on polymer substrates. The polymer networks are synthesized through addition- and condensation reactions of O,O’-Bis(2-aminoethyl)oligoethylene glycol with a trifunctional epoxide or acid chlorides. The thickness, mesh size, concentration and type of functional groups can be controlled with the reagents and the reaction conditions. In that way polymer networks with amine and carboxylic acid groups can be produced. By adding another reagent to the reaction mixture the opportunities to build up the network are increased. In this way concentration of carboxylic acid groups can be increased or biotin can be added. The networks form thin gels layers in water which can be interesting for biological applications. The above-mentioned gel layers can be used as a coating for microarrays, which are important for diagnostics. In common arrays the molecules are bonded to a flat surface. In that case many of proteins can lose their biological properties. In the presented gel layers proteins can be immobilized in an environment which is close to their natural one. For that application the mesh size of the networks need to be sufficiently large. Only in that way big molecules are able to enter into the gel layer. The mesh size of the networks is larger than 20 nm. Additionally, it was demonstrated that streptavidin is immobilized at a biotin moiety in a concentration which is 6 times higher than a densely packed monolayer of the protein on a flat (2D) surface. Due to the low concentration of the functional groups in pmol cm-2 range the probability for multiple reactions with a protein is low. The characterization of the networks is a complex topic. It was done with X-ray-photoelectronspectroscopy (XPS) combined with chemical derivatization. It is demonstrated that the distance between two branches in the network can be determined with XPS. Fluorescence spectroscopy was used to determine the concentration of the functional groups in the network. Altogether, this work tries to combine synthesis, analysis and technology.