Biofunktionale ultradünne Polymeroberfläche durch Entwicklung von Schichtsystemen unter Einsatz aminofunktioneller Polysaccharide
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts wurden Synthesen von sternförmigen Polyolen mit Acrylatendgruppen entwickelt mit dem Ziel, mittels dieser Stern-Polyole Beschichtungen auf Siliziumwafern durchzuführen, die protein- und zellabweisende Eigenschaften haben. Neben der Charakterisierung der immobilisierten Schichten wurden zusätzlich Versuche zur lateralen Strukturierung dieser Hydrogelschichten durchgeführt. Nach Durchführung verschiedener Synthesewege ergab sich ein Verfahren zur Synthese von acrylatterminierten 6-Arm-Stern-PEG, in welchem Acrylsäurechlorid, THF als niedrig siedendes Lösungsmittel und lonentauscherharz als Katalysator einsetzt wird. Bei Anwendung dieser Synthese zeigten sich saubere Produkte mit zufriedenstellenden Acrylierungsgraden, so dass hiermit eine einfache und preiswerte Methode zur Herstellung von acrylatterminierten Stern PEG Polymeren zur Verfügung steht. Neben den 6-Arm- Sternen, die über die Polymerisation von Ethylenglykol/Propylenglykol (80/20 mol%) mit Sorbitol als Initiator hergestellt werden, wurden auch höherfunktionale Sterne entwickelt. Zu diesem Zweck wurden mehrfunktionale Initiatoren für die Polymerisation geschützter Glycidole verwendet. Nach Entschützung der Glycidoleinheiten resultiert ein multifunktionaler Kern, auf den mittels anionischer Polymerisation Ethylenoxid aufpolymerisiert werden konnte. Auf diese Weise entstehen Multiarmsterne, deren Armanzahl vom Polymerisationsgrad der Glycidolpolymerisation abhängt. Im zweiten Teil des Projekts wurden ultradünne Acrylat-Stern-PEG-Schichten auf Siliziumwafern hergestellt und und mittels verschiedener Methoden charakterisiert. In einem ersten Schritt wurden durch verschiedene Silanisierungsmethoden Amino-, Thiol- und Vinylgruppen auf aktivierte Oberflächen von Siliziumwafern aufgebracht, um eine kovalente Anbindung der Acrylat-terminierten PEG-Sterne zu ermöglichen. Zur Erzielung einer guten Vernetzung und Anbindung der Acrylat-terminierten PEG-Sterne auf den Siliziumwafern wurden verschiedene Vernetzungsmethoden untersucht. Hierbei führte die Vernetzung der Acrylatendgruppen durch UV-Bestrahlung zu unbefriedigenden Ergebnissen, da nach der Bewässerung UV-bestrahlter Beschichtungen ein teilweises Ablösen der hydrophilen Acrylat-Stern-PEG-Beschichtung auftrat. Dagegen führte der Einsatz von Thiol-Gruppen enthaltenden Vernetzungsreagenzien wie Pentaerythritoltetrakis- (2-mercapto-acetat) und 1,4-Dithioerythritol sowie der Einsatz des Vernetzers Pentaerythritoltriacrylate in Gegenwart des Photoinitiators Benzoinmethylether nach UVBestrahlung zu Schichten, die trotz Bewässerung noch ausreichende Schichtdicken aufwiesen. Proteinadsorptionsstudien von Acrylat-Stern-PEG-beschichteten, mit Avidin Texas Retf inkubierten Wafer zeigten im Vergleich zu einer teilweise aufgebrachten Polystyrolbeschichtung sehr wenig Fluoreszenz. Demzufolge ist erstmals eine kovalente Immobilisierung von Hydrogelbeschichtungen auf Basis von Acrylat-terminierten Stern-PEG erfolgreich entwickelt worden, die die unspezifische Protein-adsorption wirksam minimiert. Im letzten Teil der Forschungsarbeiten wurde erstmals ein UV basiertes Abdrucklithographie-Verfahren eingesetzt, um die Oberflächen der vorliegenden acrylatterminierten Stern-PEG lateral zu strukturieren. Hierbei wurden Oberflächenstrukturen mit einer Auflösung bis zu 100nm erreicht, welche nicht nur die Proteinadsorption sondern auch die Zelladhäsion von dermalen Rattenfibroblasten minimiert. Das entwickelte System bietet für zukünftige Arbeiten das Potenzial, biologisch aktive Komponenten anzubinden, um z.B, die spezifische Zelladhäsion zu steuern. So ist die Anbindung thiolhaltiger Zelladhäsionsmediatoren an die Acrylat-terminierten PEG-Sterne vorstellbar. Bezüglich der Steuerung von Zelladhäsion- und Proliferation auf biologisch funktionalisierten Hydrogelschichten kann hierbei auf Entwicklungen von Biofunktionalisierungen von isocyanatterminierten Stern-PEG-Schichten zurückgegriffen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Lensen C. M., Mela P., Mourran A., Heuts J., Groll J., Rong H., Möller M., "Micro-and nano-patterned star PEG materials prepared by UV-based imprint lithography", Langmuir 2007, ASAP article.
- Marc H., Gasteier, P., Keul, H., Möller, M., "Ring-opening polymerization of s-caprolactone by means of mono- und multifunctional initiators: comparison of chemical and enzymatic catalysis", Macromolecules 2006, 39, 3184 - 3193.
- Salber J., Gräter S., Harwardt M., Hofmann M., Klee D. and fibroblasta on deformable Substrates, Dujic J., Huang J., Jiandong D., Kippenberger S., Bernd A., Groll J., Spatz J., Möller M., "Influence of different ECM mimetic peptide sequences embedded in a nonfouling environment on the specific adhesion of human-skin keratinocytes", Small 2007, 0, 1-10
