Nonionic UCST-Type Hydrogel Materials

Titelangaben

Majstorovic, Nikola:
Nonionic UCST-Type Hydrogel Materials.
Bayreuth , 2023 . - X, 153 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007211

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Abstract

Thermoresponsive polymers undergo a phase transition upon a temperature change in a solution. Depending on which temperature the phase transition occurs in solution, two types of thermoresponsive polymers are defined: lower critical solution temperature (LCST)- and upper critical solution (UCST)-type polymers. The former precipitates above this critical temperature, while the latter phase separates below it. Thermoresponsive hydrogels are swellable polymer networks that show a temperature-dependent volume phase transition when placed in an aqueous medium. In recent years, significant effort has been made to study LCST-type hydrogels in drug delivery, biomedical applications, or as functional materials. UCST-type hydrogels were sparsely reported. One promising versatile UCST-type polymer is poly(N-acryloyl glycinamide) (PNAGA). PNAGA forms a physically crosslinked network by hydrogen bonding interactions and depending on concentration, the polymer is either thermoresponsive, shows a sol-gel transition, or swells thermophilically in an aqueous medium. However, PNAGA lacks any reactive functional groups. The functionalities or multiple phase transitions are required to make responsive hydrogels suitable for real applications as temperature sensing devices, scaffolds for tissue engineering, or as a matrix material for bioimmobilization. The present work focused on preparing and characterizing functional and multiphase-transition PNAGA hydrogel materials.
To prepare functional PNAGA hydrogels, a reactive group, such as an epoxy group, is introduced onto the hydrogel structure using two strategies. In the first method, an interpenetrating polymer network (IPN) of PNAGA with epoxy-containing polymer, poly(glycidyl methacrylate) (PGMA), was prepared. The epoxy-functionalized hydrogel retained its UCST-type thermophilic swelling properties and high mechanical toughness.
Further, free-radical copolymerization of NAGA monomer with functional vinyl monomers, such as epoxy containing glycidyl methacrylate (GMA) or methacrylic acid N-hydroxysuccinimide ester (MNHS), followed by chemical crosslinking is established as a simple route to functional PNAGA nanosized hydrogels (nanogels). The method has the advantage of controlling the number of functionalities and hydrophilic-lipophilic ratio, as the UCST-type phase transition temperature can be changed by adjusting the feed ratio of the comonomers. The functional hydrogels were used for studying the temperature-dependent change in fluorescence and enzymatic activity. The epoxy groups were used as anchoring points for tagging fluorescein-based dye and enzyme α-amylase in the IPN hydrogel and copolymer, respectively. The fluorescence activity was studied at different temperatures, and the activity depended more on
temperature change than the uncoupled dye due to aggregation-induced emission of the covalently bound dye molecules. The covalent immobilization of the enzyme led to biohybrid nanogels in which the enzyme crosslinked the PNAGA macromolecular chains. The thermoresponsive effect of the biohybrid nanogel on the α-amylase enzyme activity was studied. The relative activity of the immobilized enzyme was more sensitive to temperature change than the free enzyme's. A simple one-step method for enzyme immobilization in PNAGA bulk physical hydrogel matrix was also studied by carrying out the radical polymerization of a pre-gel solution of NAGA in the presence of the enzyme. Enzyme activity modulation by temperature change is essential for complex enzyme cascade reactions, as by-product formation is often observed when running the reactions in one pot.
As a later part of the work, the possibility of introducing more than one type of phase transition behavior was approached. PNAGA macrogels with multiphase thermal transitions were therefore studied. The PNAGA macrogels were prepared by double bondfunctionalized PNIPAM nanogels acting as crosslinkers and phase transition modifiers. The temperature-dependent phase transitions could be adjusted depending on the PNIPAM nanogel concentration and the degree of unsaturation.
In the last part of this work, the possibility of adding functionalities without covalent attachment to the PNAGA hydrogel was studied by making PNAGA hydrogel composites with nanofiller materials like carbon nanotubes (CNT). The CNTs were expected to enhance the biological activity and strengthen the network by physical incorporation, as pure PNAGA is not biologically active. Using the composite hydrogel as a 3D printing ink was shown by establishing printing parameters for high-strength constructs. Hydrogel composites with varying rheological, elastic, and electrically conductive properties could be attained. The hydrogels were found suitable for cell growth in a cell viability assay.

Abstract in weiterer Sprache

Thermoresponsive Polymere vollziehen bei einer Temperaturänderung einen Phasenübergang in einer Lösung. Abhängig davon, bei welcher Temperatur der Phasenübergang in Lösung auftritt, werden zwei Typen von thermoresponsiven Polymeren definiert: Lower critical solution temperature (LCST)- und upper critical solution temperature (UCST)-Polymere. Die ersteren Polymere setzen sich über dieser kritischen Temperatur in der Lösung ab, während die letzteren bei einer Temperatur unter dieser ausfallen. Thermoresponsive Hydrogele sind quellbare Polymernetzwerke, die einen temperaturabhängigen Volumenphasenübergang im wässrigen Medium aufweisen. In den letzten Jahren wurde ein beträchtlicher Aufwand betrieben, um LCST-Hydrogele in der Arzneimittelentwicklung, biomedizinischen Anwendungen oder als funktionelle Materialien zu untersuchen. Von UCST-Hydrogelen wurde nur selten berichtet. Ein vielversprechendes vielseitiges UCST-artiges Polymer ist Poly(N-Acryloylglycinamid) (PNAGA). PNAGA bildet durch Wasserstoffbrückenbindungswechselwirkungen ein physikalisch verknüpftes Netzwerk aus und ist je nach Konzentration entweder thermoresponsiv, zeigt einen Sol-Gel-Übergang oder quillt thermophil in einem wässrigen Medium. PNAGA hat jedoch keine reaktiven funktionellen Gruppen. Funktionalitäten oder mehrphasige Übergänge sind erforderlich, um reaktive Hydrogele für Anwendungen wie Temperatursensoren, Gerüste für die Geweberegeneration oder als Matrixmaterial für die Bioimmobilisierung geeignet zu machen. Das vorliegende Projekt konzentrierte sich auf die Herstellung und Charakterisierung funktionaler und mehrphasiger PNAGA-Hydrogelmaterialien.
Um funktionalisierte PNAGA-Hydrogele herzustellen, wird eine reaktive Gruppe, wie zum Beispiel die Epoxygruppe, durch zwei Strategien in die Hydrogelstruktur eingeführt. In der ersten Methode wurde ein interpenetrierendes Polymernetzwerk (IPN) aus PNAGA und dem Epoxygruppen-enthaltenden Polymer Polyglycidylmethacrylat (PGMA) hergestellt. Das Epoxy-funktionalisierte Hydrogel behielt seine UCST-artigen thermophilen Quelleigenschaften und hohe mechanische Härte bei.
Weiterhin wurde ein einfacher Weg zur Herstellung funktioneller PNAGA-Nanogele aufgestellt, indem man mit den NAGA-Monomeren eine freie radikalische Copolymerisation mit funktionalen Vinyl-Monomeren wie GMA oder Methacrylsäure-N-hydroxysuccinimidester (MNHS) durchführt, gefolgt von einer chemischen Vernetzung. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Anzahl der Funktionalitäten und das hydrophil-lipophile Verhältnis durch Änderung des Comonomerverhältnisse angepasst werden kann, wodurch die UCST-Übergangstemperatur geändert werden kann. Die funktionellen Polymere wurden zur Studie der
temperaturabhängigen Änderungen der Fluoreszenz und der enzymatischen Aktivität verwendet. Die Epoxidgruppen dienten als Ankerpunkte für die Verknüpfung der IPN-Hydrogele mit einem Fluorescein-basierten Farbstoff und der Copolymere mit dem Enzym α-Amylase. Die Fluoreszenzaktivität wurde bei verschiedenen Temperaturen untersucht und die Aktivität hing mehr von den Temperaturänderungen ab als das ungekoppelte Farbstoffmolekül aufgrund der Aggregations-induzierten Emission der kovalent gebundenen Farbstoffmoleküle. Die kovalente Immobilisierung des Enzyms führte zu Bio-Hybrid-Nanogelen, bei denen das Enzym die makromolekularen Ketten der PNAGA-Copolymere vernetzte. Der thermoresponsive Effekt des Bio-Hybrid-Nanogels auf die α-Amylase-Enzymaktivität wurde untersucht. Die relative Aktivität des immobilisierten Enzyms war empfindlicher gegenüber Temperaturänderungen als bei dem freien Enzym. Eine einfache Ein-Schritt-Methode zur Enzymimmobilisierung in einer physikalisch vernetzten PNAGA-Hydrogelmatrix wurde auch untersucht, indem eine Vorgellösung von NAGA in einer freien radikalischen Polymerisation in Anwesenheit des Enzyms quervernetzt wurde. Die Modulation der Enzymaktivität durch Temperaturänderungen ist für komplexe Enzym-Kaskadenreaktionen wichtig, da bei der Durchführung der Reaktionen in einer Eintopfreaktion oft eine Nebenproduktbildung beobachtet wird.
Als späterer Teil dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, mehr als einen Typen von Phasenübergangen einzuführen. Daher wurden PNAGA-Makrogele mit multiphasischen thermischen Übergängen untersucht. Die PNAGA-Makrogele wurden durch Doppelbindung-funktionalisierten PNIPAM-Nanogelen als Vernetzer und Phasenübergangsmodifikatoren hergestellt. Die temperaturempfindlichen Phasenübergänge konnten je nach PNIPAM-Nanogelkonzentration und Grad an Unsättigung angepasst werden.
Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, Funktionalitäten ohne kovalente Anbindung an das PNAGA-Hydrogel hinzuzufügen, indem PNAGA-Hydrogel-Komposite mit Nanofüllstoffmaterialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) hergestellt werden. Die CNTs sollen die biologische Aktivität verbessern und das Netzwerk durch physische Einbindung verstärken, denn reines PNAGA ist nicht biologisch aktiv. Die Verwendung des Komposithydrogels als 3D-Drucktinte wird durch die Festlegung der Druckparameter für hochfeste Konstruktionen gezeigt. Hydrogel-Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen rheologischen, elastischen und elektrisch leitenden Eigenschaften konnten erlangt werden. Die Hydrogele wurden in Zellviabilitätstests als geeignet für das Zellwachstum befunden.