Glycerol Based Polymers for Nonfouling and Switchable Coatings

Abstract

In dieser Arbeit wurde die Herstellung und Anwendung glycerol basierter Polymere als Beschichtungen beschrieben. Die Beschichtungen wurden in passive und responsive Materialien unterteilt. Während die Beschichtungen der ersten Gruppe dazu entwickelten wurden Materialien zu passivieren und damit den biologischen Bewuchs zu reduzieren, sollte das Bewuchsverhalten der zweiten Gruppe über die Umgebungstemperatur kontrolliert werden können. Die erste Gruppe wurde weiter in nichtfaulende Oberflächen für biomedizinische Anwendungen und auf der anderen Seite marine Anwendungen unterteilt. Für biomedizinische Anwendungen wurde dendritisches Polyglycerol (dPG), methoxyliertes dPG (dPG(OMe)), und lineares methoxyliertes Polyglycerol (lPG(OMe)) als Beschichtung von Glasfläschchen evaluiert, die als Primärverpackungsmaterial für hochkonzentrierte therapeutisch relevante Proteinlösungen dienen. Um eine praktische Aufbringung der Beschichtungen bei niedrigen Temperaturen und ohne Verwendung von Schutzgas zu ermöglichen, wurde die zuvor publizierte Beschichtungsprozedur entsprechend geändert. Alle beschichteten Glassubstrate zeigten eine signifikant reduzierte Proteinadsorption im Vergleich zu unmodifizierten Glasfläschchen, sogar nach Sterilisation mittels Hitze oder unter Druck. Besonders dPG basierte Beschichtungen zeigten eine ausgezeichnete Stabilität gegenüber den getesteten und industriell relevanten Sterilisationsmethoden. Weitere Stabilitätstests dieser über Siloxanbindungen immobilsierten dPG-basierten Beschichtung legten deren Anfälligkeit gegenüber hydrolytischer Spaltung unter basischen Bedingungen offen, aber auch deren Langzeitstabilität von mindestens drei Monaten unter lagerungsrelevanten Bedingungen. dPG wurde außerdem als Beschichtung für Glas-Behälter für niedrigkonzentrierte Proteinlösungen getestet, wo der prozentuale Verlust aufgrund unspezifischer Adsorption deutlich höher war als bei hohen Konzentrationen, die gewöhnlich bei der Lagerung von Proteinlösungen verwendet werden. Durch das Aufbringen dPG(OMe) basierter Beschichtungen auf Probenfläschchen, die in einem SPR- basierten Immunassay als Behälter für Proteinlösungen verwendet wurden, konnte gezeigt werden, dass besonders bei niedrigen Proteinkonzentrationen eine dPG(OMe)-Beschichtung den prozentualen Proteinverlust aufgrund unspezifischer Adsorption deutlich reduzieren konnte. Hierfür wurde ein monoklonaler Antikörper (mAk) gegen ein auf der Oberfläche immobilsiertes und in der Alzheimer Krankheit auftretendes Peptid (Amyloid Beta 1-40) als Analyt verwendet. Der mAk wurde hierzu in unbeschichteten beziehungsweise dPG(OMe) beschichteten Probenfläschchen gelagert, bevor er in dem SPR basierten Immunassay verwendet wurde. Das deutlich reduzierte Signal für Analyt aus unbeschichteten Fläschchen im Vergleich zu Analyt aus beschichteten (23% Signalverlust bei der niedrigsten Konzentration von 1 μg mL-1) hat gezeigt, dass proteinresistente Beschichtungen essentiell sind für die Handhabung niedrigkonzentrierter Proteinlösungen in Proteinassays. Für diesen Zweck stellen die gesteten Beschichtungen eine exzellente Alternative gegenüber gewöhnlich verwendeten Passivierungsreagenzien wie Albumin dar. Für den oben beschriebenen Immunassay wurde carboxymethyliertes dPG (CM-dPG) synthetisiert und als Immobilsierungsmatrix für Amyloid Beta 1-40 auf der Goldsensoroberfläche verwendet. Hierbei musste CM-dPG zwei Funktionen erfüllen: die Oberfläche resistent gegenüber unspezifischer Proteinadsorption machen, und zweitens die kovalente Immobilisierung von Peptiden ermöglichen. Adsorptionsexperimente haben gezeigt, dass das Einführen von Carboxymethylgruppen in dPG eine Verdopplung der unspezifischen Fibrinogenadsorption verursacht. Trotzdem, wurde die Fibrinogenadsorption gegenüber einer unbeschichteten Goldoberfläche immer noch um mehr als 99% reduziert, und gegenüber einem CM-Dextran-beschichteten Sensor um einen Faktor sechs. Um zu zeigen, dass CM-dPG zur Immobilsierung von Biomolekülen geeignet ist, wurde Amyloid Beta 1-40 kovalent an die Matrix gebunden und erfolgreich in dem oben beschriebenen Immunassay verwendet um die Wechselswirkung mit dem entsprechenden mAk (Anti-Aβ1-40) bei verschiedenen Konzentrationen zu messen. Außerdem wurde ein lineares glycerol-basiertes Copolymer auf seine Eignung getestet verschiedene marine Organismen am Anhaften an Glas zu hindern. Um die Aufbringung dieser Beschichtung auf großen Substraten zu vereinfachen, wurde die Beschichtung über ein Sprühverfahren aufgebracht, wohingegen alle oben gennaten Beschichtungen durch Eintauchen des Substrats aufgebracht wurden. Es wurde gezeigt, dass die Fibrinogenadsorption sowie die Anhaftung mariner Bakterien (< 1%), Grünalgen (< 3%), und Miesmuscheln (< 15%) im Vergleich zu unbeschichtetem Glas deutlich reduziert werden konnten. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die entwickelte Beschichtung bezüglich der Miesmuscheladhäsion besser abschnitt als Polytetrafluoroethylen (PTFE). Die Beständigkeit der Beschichtung ist im Meerwasser auf ein paar Wochen limitiert. Desweiteren wurde eine responsive polymere Beschichtung beschrieben, die es ermöglichte die Zelladhäsion über die Umgebungstemperatur zu kontrollieren. Hierfür wurde eine Reihe linearer glycerolbasierter thermoresponsiver Copolymere hergestellt, die aus zwei verschiedenen Comonomeren aufgebaut waren und eine terminale Thiolgruppe aufwiesen. Während die Comonomere dazu dienten über deren molares Verhältnis die Schalttemperatur einzustellen, ermöglichte die terminale Thiolgruppe eine Immobilsierung auf Goldsubstraten. Um die Schalttemperaturen der immobiliserten Polymere messen zu können, wurden die hydrodynamische Radien entsprechend beschichteter Goldnanopartikel als Funktion der Zeit bestimmt. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass die Schalttemperatur der Copolymere abnimmt, wenn sie auf einer Oberfläche immobilisiert werden. Es wurde ebenfalls gezeigt, dass alle getesteten Beschichtungen unterhalb der jeweiligen Schalttemperature hervorragende proteinresistente Eigenschaften aufweisen und oberhalb der jeweiligen Schalttemperatur eine stark proteinanziehende Wirkung haben. Schlussendlich wurde eine thermoresponsive Beschichtung als Substrat in der Zellkultur verwendet. Konfluente Zellschichten, die auf eben diesen thermoresponsiven Substraten kultiviert und anschließend auf collagenbeschichtete Kulturschalen transferriert wurden, zeigten eine exzellente Zelllebensfähigkeit.

In this work, the preparation and application of glycerol based polymers as coatings were described. The coatings were classified into passive and responsive materials. Whereas the coatings of the first group were developed to passivate materials and thus reduce biofouling, the fouling behavior of the second group could be controlled by adjusting the ambient temperature. The first group was further subdivided into nonfouling surfaces for biomedical applications and on the other side marine applications. For biomedical applications, dendritic polyglycerol (dPG), methoxylated dPG (dPG(OMe)), and linear methoxylated polyglycerol (lPG(OMe)) were evaluated as coatings for glass vials that serve as primary packaging material for therapeutically relevant proteins at high concentrations (≥ 1 mg mL-1). To enable a practical application of the coatings to glass vials at low temperatures and without the use of inert gas, the previously published application procedure was modified accordingly. All coated glass surfaces showed a significantly reduced protein adsorption as compared to unmodified glass, even after heat or autoclaving sterilization. dPG based coatings were particularly found to exhibit superior stability against the tested and industrially relevant sterilization methods. Further stability tests of these siloxane grafted dPG coatings revealed their susceptibility to hydrolysis under alkaline conditions but also their long- term stability under storage-relevant conditions of at least three months. dPG was further evaluated as a coating for glass containers of low concentration protein solutions where the percentage loss due to adsorption was considerably higher than for the high concentrations that are typically used for storing therapeutic protein solutions. By applying dPG(OMe) coatings to sample vials used as container for protein solutions in an SPR based immunoassay, it was demonstrated that, especially at low protein concentrations, dPG(OMe) could considerably reduce the percentage loss of proteins due to nonspecific adsorption. Therefore, a monoclonal antibody (mAb) against a surface immobilized peptide involved in Alzheimer’s disease (amyloid beta 1-40), was applied as an analyte. The mAb was stored in uncoated and dPG(OMe) coated sample vials, respectively, prior to its use in the SPR based immunoassay. The considerably decreased signal in the SPR assay for the analyte from uncoated vials compared to the analyte from coated vials (23% signal loss at the lowest concentration of 1 μg mL-1) showed that protein resistant coatings are essential for handling low-concentration protein solutions in protein based assays. Therefore, these coatings offer an excellent alternative to typically applied physisorbed blocking agents like albumin. For the above-described immunoassay, carboxymethyl-dPG (CM-dPG) was synthesized as an immobilization matrix for amyloid beta 1-40 on gold sensors. Therefore, CM-dPG had to fulfill two functions: rendering the surface resistant against nonspecific adsorption of proteins and second enable the covalent immobilization of peptides. Adsorption experiments with fibrinogen have shown that incorporation of carboxymethyl groups into dPG caused a two-fold increase in the nonspecific adsorption. Nevertheless, the amount of adsorbed fibrinogen was still reduced by more than 99% compared to an uncoated gold surface, and by a factor of around six compared to a commercially available CM-dextran coated sensor. To test whether CM-dPG can be used to immobilize biomolecules, amyloid beta 1-40 was covalently bound to the matrix and successfully applied in the above- mentioned immunoassay to measure the binding interaction with the mAb (anti- Aβ1-40) at various concentrations. Furthermore, a linear glycerol based copolymer was tested for its ability to prevent various fouling marine organisms from settling on glass. To facilitate the application of this coating to large substrates, the coating was applied by spraying, contrary to the above-mentioned coatings, which were all applied by immersion of the substrate. It was demonstrated that the adsorption of fibrinogen as well as the settlement of marine bacteria (< 1%), green algae (< 3%) and blue mussels (< 15%) could be considerably reduced compared to uncoated glass. Additionally, it was shown that the coating even outperformed polytetrafluoroethylene (PTFE) with respect to mussel adhesion. The coating durability is limited to some weeks when exposed in marine conditions. Moreover, a responsive polymeric coating was prepared that enabled to control the adhesion of cells by the ambient temperature. Therefore, a series of linear glycerol based thermoresponsive copolymers was built from two different comonomers and contained a terminal thiol group. While the comonomers allowed one to adjust the switching temperature, the incorporation of a terminal thiol group enabled the immobilization to gold substrates. To access the switching temperature of these polymers when confined to a surface, the hydrodynamic radii of correspondingly coated gold nanoparticles were determined as a function of time. These results demonstrated that the switching temperature of the copolymers decreased upon grafting to a surface. It was also shown that all tested coatings exhibited an excellent protein resistant behavior below and a strong protein adsorptive behavior above the respective switching temperature. Finally, thermoresponsive coatings were successfully applied as culture substrates. Confluent cell sheets that were grown on thermoresponsive substrates, subsequently transferred to collagen coated culture dishes and further cultivated, showed excellent cell viability.