Dual-Responsive Polymer and Hybrid Systems: Applications for Gene Delivery and Hydrogels

Titelangaben

Majewski, Alexander:
Dual-Responsive Polymer and Hybrid Systems: Applications for Gene Delivery and Hydrogels.
Bayreuth , 2013
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

This thesis focused on the synthesis of functional materials based on water-soluble and responsive polymers, in particular poly((2-dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA). The dual-responsive behavior and polycationic character at physiological pH of PDMAEMA lead to outstanding properties and thus, to a versatile component for water-based applications. The main concept of the thesis was to combine the ability for gene delivery of PDMAEMA with the magnetic properties of iron oxide nanoparticles to enable an activity of the gene vector in an applied external magnetic field. Another point was to apply the dual-responsive behavior of PDMAEMA (temperature and pH) for physically cross-linked hydrogels. Initial studies on magnetic dual-responsive gene vectors revealed a facile synthesis of PDMAEMA-grafted iron oxide nanoparticles utilizing dopamine as physically binding anchor group for the polymer chains. Here, a dopamine-based ATRP initiator was applied for the surface modification of the nanoparticles, which enabled a controlled polymerization technique via the “grafting-from” approach. Gene transfection experiments with CHO-K1 cells show that the transfection efficiency is significantly higher than for poly(ethyleneimine) (PEI), which is regarded as the “gold standard” among the polycationic gene vectors. Although the hybrid particles show a considerably high molecular weight (4.3 MDa), which should lead to a significant increase of the cytotoxicity as observed for linear PDMAEMA their cytotoxicity is remarkably low, lower than that of PEI. Thus, the excellent performance in gene delivery experiments can be attributed to the star-like architecture of the PDMAEMA. Moreover, the uptake of our superparamagnetic gene vector into the cells enables a magnetic cell separation by applying an external magnetic field. However, due to the non-covalent bonds of dopamine to the iron oxide nanoparticles, the PDMAEMA chains undergo a detachment with time from the nanoparticle surface. This led to the synthesis of PDMAEMA-based magnetic core-shell-corona nanoparticles. Here, the iron oxide nanoparticles were covered with a thin silica shell in order to link the PDMAEMA chains covalently to the inorganic core via silane chemistry. This approach revealed stable dual-responsive hybrid nanoparticles with irreversible binding of the polymer chains and a high long-term stability in aqueous media. These hybrid star-like particles also show excellent gene delivery. The inter-polyelectrolyte complex formation between the PDMAEMA corona of the core-shell-corona particles and pDNA showed that the pDNA molecules are individually complexed with single nanoparticles at N/P ratios (polymer nitrogen / pDNA phosphorous) where the best transfection results are obtained. The magnetic cell separation was further improved by using a Magnetic Activated Cell Sorting system (MACSTM). The magnetically separated cells maintain a high transfection efficiency as well as viability and could even be further cultivated. Another aspect of this thesis was to include PDMAEMA as stimuli-responsive block in a double switchable block copolymer-based hydrogel. For this purpose, we chose a physically cross-linked ABCBA pentablock terpolymer system, which was polymerized via sequential ATRP and consist of a water-soluble PEO middle block, two dual-responsive (temperature/pH) PDMAEMA B-blocks as well as two thermo-responsive poly(di(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (PDEGMA) A-blocks (PDEGMA-b-PDMAEMA-b-PEO-b-PDMAEMA-b-PDEGMA). The aggregation behavior in dilute solution was investigated via temperature-dependent Dynamic Light Scattering (DLS) revealing that both stimuli-responsive blocks can be triggered separately and the coil-to-globule transition temperatures of the stimuli-responsive blocks were found to be strongly dependent on the block lengths for low molecular weights. In concentrated solutions, however, rheology studies did not show a further change in the mechanical properties after gelation for the investigated ABCBA pentablock terpolymer compositions. As a result, the principle of our complex system points towards a successful synthesis of a dual-responsive ABCBA pentablock terpolymer hydrogel system, which may show two distinct phase transition even for the gel state, if longer block lengths of the outer A- and B-blocks would be applied.

Abstract in weiterer Sprache

Die vorliegende Dissertation basiert vorwiegend auf der Synthese funktioneller, wasserlöslicher und stimuli-sensitiven Polymeren unter der Verwendung von Poly((2-dimethylamino)ethylmethacrylat) (PDMAEMA). PDMAEMA zeigt ein doppelt stimuli-sensitives Verhalten und besitzt polykationischen Charakter unter physiologischen Bedingungen. Dies führt zu herausragenden Eigenschaften und einer vielseitig einsetzbaren Komponente für wasserbasierende Anwendungen. Der Hauptaspekt dieser Dissertation war es die Fähigkeiten des PDMAEMAs für den Gentransfer mit den magnetischen Eigenschaften von Eisenoxid-Nanopartikeln zu kombinieren, um dadurch einen Genvektor zu erhalten, der auf ein externes magnetisches Feld anspricht. Ein weiteres Ziel war es die doppelte Sensitivität zu äußeren Reizen (Temperatur und pH) von PDMAEMA für physikalisch vernetzte Gele anzuwenden. Erste Ergebnisse auf dem Gebiet der magnetischen doppelt stimuli-sensitiven Genvektoren führten zu einer vergleichsweise einfachen Synthese von Eisenoxid-Nanopartikeln mit aufgepfropften PDMAEMA unter der Verwendung von Dopamin als physikalisch adsorbierende Ankergruppe der Polymerketten. Hierfür wurde ein Dopamin-Derivat für die Oberflächenmodifikation der Eisenoxid-Nanopartikel verwendet, welches eine ATRP-Initiatorgruppe trägt. Dadurch war es möglich DMAEMA kontrolliert radikalisch von der Oberfläche aus („grafting-from“) zu polymerisieren. Gentransfer-Experimente mit CHO-K1 Zellen zeigten, dass die Transfektionseffizienz wesentlich höher ist als bei Polyethylenimin (PEI), das als der „goldene Standard“ unter den polykationischen Polymeren gehandelt wird. Die Hybrid-Partikel besitzen ein relativ hohes Molekulargewicht (4,3 MDa), was eine hohe Zytotoxizität schlussfolgern lässt, wie es bei linearen PDMAEMA der Fall ist. Jedoch ist die Zytotoxizität auffallend gering, sogar geringer als die von PEI. Dadurch kann die exzellente Darbietung in den Gentransfer-Experimenten der sternähnlichen Struktur des PDMAEMAs zugeschrieben werden. Des Weiteren ermöglichte die Aufnahme unseres superparamagnetischen Genvektors in die Zellen eine magnetische Zelltrennung unter der Verwendung eines externen magnetischen Felds. Aufgrund der nicht kovalenten Bindung der Dopamin-Ankergruppe an die Eisenoxid-Nanopartikel löst sich ein Teil der PDMAEMA-Ketten mit der Zeit von der Oberfläche ab. Daher wurden in einem nächsten Schritt magnetische Kern-Schale-Korona Nanopartikel synthetisiert, wobei die Korona wiederum aus PDMAEMA besteht. Um Zugang zu dieser komplexeren Struktur zu erhalten, wurden die Nanopartikel mit einer dünnen Silica-Schale ummantelt, auf die in einem folgenden Schritt mittels Silan-Chemie die PDMAEMA-Ketten kovalent angebunden werden konnten. Dadurch entstanden dauerhaft stabile doppelt stimuli-sensitive Hybrid-Nanopartikel, welche keine Freisetzung der PDMAEMA-Ketten von der Nanopartikeloberfläche mehr aufwiesen und zudem auch eine hohe Langzeitstabilität in wässrigem Medium besitzen. Diese sternähnlichen Hybridpartikel zeigten exzellente Ergebnisse bei Gentransfer-Experimenten. Die Entstehung von Inter-Polyelektrolyt-Komplexen zwischen der PDMAEMA-Korona der Kern-Schale-Korona Partikel und pDNA zeigten, dass bei den N/P-Verhältnissen (Polymer Stickstoff / pDNA Phosphor), bei denen die besten Transfektionsergebnisse erzielt worden sind, jeweils ein pDNA Molekül pro Nanopartikel komplexiert wird. Die magnetische Zelltrennung wurde weiterentwickelt, indem ein magnetisch aktiviertes Zelltrennungssystem (Magnetic Activated Cell Sorting system (MACSTM)) angewendet wurde. Die magnetisch abgetrennten Zellen behielten ihre hohe Transfektionseffizienz, sowie hohe Viabilität. Zudem war eine weitere Kultivierung dieser Zellen möglich. Ein weiterer Bestandteil der Dissertation war es PDMAEMA als stimuli-sensitiven Block in ein doppelt schaltbares Blockcopolymer-Hydrogel zu integrieren. Für diesen Zweck hatten wir uns für ein physikalisch vernetztes ABCBA Pentablockterpolymer-System entschieden. Dieses wurde mittels sequentieller ATRP polymerisiert und besteht aus einem wasserlöslichen Polyethylenoxid (PEO) Mittelblock, zwei doppelt stimuli-sensitiven (Temperatur/pH) PDMAEMA B-Blöcken, sowie zwei thermo-sensitiven Poly((diethylenglycol)methylethermethacrylat) (PDEGMA) A-Blöcken (PDEGMA-b-PDMAEMA-b-PEO-b-PDMAEMA-b-PDEGMA). Das Aggregationsverhalten wurde in verdünnten Lösungen durch temperaturabhängige dynamische Lichtstreu-Experimente (DLS) bestimmt, wobei gezeigt werden konnte, dass beide stimuli-sensitive Blöcke unabhängig voneinander geschalten werden können und dass die Knäuel-Globulus-Übergangstemperaturen dieser Blöcke stark von der Blocklänge für niedrige Molekulargewichte abhängig ist. Rheologieuntersuchungen von konzentrierten Lösungen konnten jedoch keine weitere Änderung der mechanischen Eigenschaften des Hydrogels nach dem Gelieren für die untersuchten ABCBA Pentablockterpolymer-Zusammensetzungen ermitteln. Dies führt zum Ergebnis, dass das Prinzip unseres komplexen Systems auf eine erfolgreiche Synthese von doppelt stimuli-sensitiven ABCBA Pentablockterpolymer-Hydrogelen hindeutet, welche sogar zwei deutliche Phasenübergänge für den Gelzustand zeigen könnten, wenn größere Blocklängen für die äußeren A- und B-Blöcke verwendet würden.