Dokument: Development of a New Thiol-Induced Controlled Radical Photopolymerization and Biomimetic Polymers to Modulate Bioadhesion

Titel:	Development of a New Thiol-Induced Controlled Radical Photopolymerization and Biomimetic Polymers to Modulate Bioadhesion
Weiterer Titel:	Entwicklung einer neuen Thiol-induzierten kontrollierten radikalischen Photopolymerisation und von biomimetischen Polymeren zur Steuerung der Bioadhäsion
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=68026
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250106-132917-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Bonda, Lorand [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 13,24 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 29.12.2024 / geändert 29.12.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Hartmann, Laura [Gutachter] PD Dr. Schaper, Klaus [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	In its first part, this work presents the development of a new controlled radical polymerization method called TIRP – Thiol-Induced, Light-Activated Controlled Radical Polymerization. TIRP is a photopolymerization carried out under irradiation with 405 nm wavelength and a photoinitiator/photocatalyst system consisting of diphenyl-(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide (TPO) and tris(2-phenylpyridine)iridium(III) (Ir(ppy)3). A variety of molecules that contain at least one free thiol can be used as initiators. This is a major advantage of TIRP over other controlled radical polymerization methods, which often require specially synthesized initiators. To demonstrate the controlled nature of TIRP, a reactant mixture of tritylthiol as the thiol source and N-hydroxyethyl acrylamide (HEAA) or tert-butyl methacrylate as monomers were used. The optimized polymerization parameters are presented for both monomers. Polymers with targeted 20 as well as 100 repeating units were successfully synthesized and characterized. The number average molecular weights (M ̅n) match with the theoretical ones and the determined dispersities (Đ), which are a value for the uniformity of the polymers, are in the range of CRPs (1.0-1.3). The controlled nature of TIRP was also demonstrated by kinetic 1H NMR experiments demonstrating a linear relationship of monomer conversion to polymer chain length during the reaction. In addition, by repeatedly switching the light source on and off, it has been demonstrated that polymerization stagnates in the dark and reinitiates upon re-irradiation. The possibility of reinitiation was used to synthesize block copolymers, which is also a characteristic of CRPs. By specifically isolating and characterizing the products of the start reaction, a possible mechanism for TIRP has been postulated. In further experiments, limits of reaction control in TIRP were explored by changing polymerization parameters (TPO:thiol ratio, Ir(ppy)3-concentration, irradiance intensity, and thiol species). In the second and third part of the thesis, both physiological bioadhesion and bioadhesion of living organisms with their environment were investigated. In the physiological field, for this work the bioadhesion of viruses to healthy cells is of great importance as this is often the very first step of the infection process. Understanding the process of viral infection in detail can lead to new methods of treating infections, which is highly topical and of great interest, not least since the Corona pandemic (2020-2023). Many viruses, including the pandemic causing corona virus SARS-CoV-2, start infection of healthy cells by adhering to them via special sugar receptors of the virus. Those bind to highly negatively charged, protein-bound sugar structures on the cell surface called glycosaminoglycans (GAGs). Prominent examples of GAGs are heparin (HP) and heparan sulfate (HS). Thus, one possible prevention against viral infections is to create artificial GAGs, to which the virus can adhere to, rather than to the natural GAGs of healthy cells. For this purpose, in this work, GAG mimetics were synthesized by free radical photopolymerization with the purpose to be tested against SARS-CoV-2. Two species of GAG mimetics were prepared. The first species as homopolymers from synthesized mannose monomers and the second as copolymers with HEAA as comonomer. To study the effect of inhibition of viral adhesion in relation to the polymer species and structure, homopolymers of different lengths and copolymers with various monomer ratios were prepared. All polymers were sulfated to create strongly negatively charged GAG mimetics. Initial results have shown that both, the length of the polymer chains and the density of the negative charge can influence the inhibition of viral adhesion. The bioadhesion of living organisms with their environment and the synthesis of artificial adhesives inspired by them, was investigated using the example of the blue mussel. The mussel is able to adhere to organic and inorganic surfaces in an aqueous environment through a secretion that it produces. Responsible for this special adhesion are mussel foot proteins (mfps) that were found in the secretion, which largely contain catechols in the form of L-DOPA. Synergy with neighboring functional groups, such as charged amines and primary amides, further enhances the adhesion. Inspired by this, polymers of four defined monomers were synthesized by free radical polymerization and their adhesive properties were investigated. The monomers used, are the catechol-containing dopamine acetonide acrylamide, the cationically charged dimethylaminopropyl acrylamide, N-acryloylglycinamide, which is containing a primary amide, and HEAA, that is known for only weak to no interactions. Eight final polymers with different compositions and monomer incorporations were synthesized and investigated for their ability to adsorb to glass in aqueous media using quartz crystal microbalance (QCM) and ellipsometry. Thus, it was shown that polymers with higher catechol contents exhibited the highest adsorption but also the enhanced adsorption through the synergistic effect of the catechols with primary amines and amides was determined. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Entwicklung einer neuen Methode zur kontrollierten radikalischen Polymerisation mit der Bezeichnung TIRP - Thiol-induzierte, lichtaktivierte kontrollierte radikalische Polymerisation - vorgestellt. TIRP ist eine Photopolymerisation, die unter Bestrahlung mit einer Wellenlänge von 405 nm und einem Photoinitiator/Photokatalysatorsystem aus Diphenyl-(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphinoxid (TPO) und Tris(2-phenylpyridin)iridium(III) (Ir(ppy)3) durchgeführt wird. Eine Vielzahl von Molekülen, die mindestens ein freies Thiol enthalten, können als Initiatoren verwendet werden. Dies ist ein großer Vorteil der TIRP gegenüber anderen Methoden der kontrollierten radikalischen Polymerisation, die häufig speziell synthetisierte Initiatoren erfordern. Um die kontrollierte Natur der TIRP zu demonstrieren, wurde ein Reaktantengemisch aus Tritylthiol als Thiolquelle und N-Hydroxyethylacrylamid (HEAA) oder tert-Butylmethacrylat als Monomere verwendet. Die optimierten Polymerisationsparameter werden für beide Monomere vorgestellt. Polymere mit gezielten 20 sowie 100 Wiederholungseinheiten wurden erfolgreich synthetisiert und charakterisiert. Die zahlenmittleren Molekulargewichte (M ̅n) stimmen mit den theoretischen überein und die ermittelten Dispersitäten (Đ), die einen Wert für die Gleichmäßigkeit der Polymere darstellen, liegen im Bereich der CRPs (1,0-1,3). Die kontrollierte Natur der TIRP wurde auch durch kinetische 1H-NMR-Experimente nachgewiesen, die eine lineare Beziehung zwischen dem Monomerumsatz und der Polymerkettenlänge während der Reaktion zeigten. Darüber hinaus wurde durch wiederholtes Ein- und Ausschalten der Lichtquelle nachgewiesen, dass die Polymerisation im Dunkeln stagniert und bei erneuter Bestrahlung wieder einsetzt. Die Möglichkeit der Reinitiation wurde genutzt, um Blockcopolymere zu synthetisieren, was ebenfalls ein Merkmal von CRPs ist. Durch die gezielte Isolierung und Charakterisierung der Produkte der Startreaktion konnte ein möglicher Mechanismus für TIRP postuliert werden. In weiteren Experimenten wurden die Grenzen der Reaktionskontrolle bei TIRP durch Änderung der Polymerisationsparameter (TPO:Thiol-Verhältnis, Ir(ppy)3-Konzentration, Bestrahlungsstärke und Thiol-Spezies) untersucht. Im zweiten und dritten Teil der Arbeit wurden sowohl die physiologische Bioadhäsion als auch die Bioadhäsion von lebenden Organismen mit ihrer Umgebung untersucht. Im physiologischen Bereich ist für diese Arbeit die Bioadhäsion von Viren an gesunden Zellen von großer Bedeutung, da dies oft der allererste Schritt des Infektionsprozesses ist. Den Prozess der Virusinfektion im Detail zu verstehen, kann zu neuen Methoden der Infektionsbehandlung führen, was nicht zuletzt seit der Corona-Pandemie (2020-2023) hochaktuell und von großem Interesse ist. Viele Viren, darunter auch das pandemieauslösende Coronavirus SARS-CoV-2, beginnen die Infektion gesunder Zellen, indem sie sich über spezielle Zuckerrezeptoren des Virus an diese anheften. Diese binden an stark negativ geladene, proteingebundene Zuckerstrukturen auf der Zelloberfläche, so genannte Glykosaminoglykane (GAGs). Prominente Beispiele für GAGs sind Heparin (HP) und Heparansulfat (HS). Eine mögliche Vorbeugung gegen Virusinfektionen besteht also darin, künstliche GAGs zu schaffen, an die sich das Virus anstelle der natürlichen GAGs gesunder Zellen anheften kann. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit GAG-Mimetika durch radikalische Photopolymerisation synthetisiert, um sie gegen SARS-CoV-2 zu testen. Es wurden zwei Arten von GAG-Mimetika hergestellt. Die erste Art als Homopolymere aus synthetisch hergestellten Mannose-Monomeren und die zweite als Copolymere mit HEAA als Comonomer. Um die Wirkung der Hemmung der viralen Adhäsion in Abhängigkeit von der Polymerspezies und -struktur zu untersuchen, wurden Homopolymere unterschiedlicher Länge und Copolymere mit verschiedenen Monomerverhältnissen hergestellt. Alle Polymere wurden sulfatiert, um stark negativ geladene GAG-Mimetika zu erzeugen. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass sowohl die Länge der Polymerketten als auch die Dichte der negativen Ladung die Hemmung der viralen Adhäsion beeinflussen können. Die Bioadhäsion von lebenden Organismen mit ihrer Umgebung und die Synthese künstlicher Klebstoffe nach ihrem Vorbild wurde am Beispiel der Miesmuschel untersucht. Die Miesmuschel ist in der Lage, an organischen und anorganischen Oberflächen in wässriger Umgebung durch ein von ihr produziertes Sekret zu haften. Verantwortlich für diese besondere Adhäsion sind Muschelfußproteine (Mfps), die in dem Sekret gefunden wurden und zum größten Teil Catechole in Form von L-DOPA enthalten. Synergieeffekte mit benachbarten funktionellen Gruppen, wie geladenen Aminen und primären Amiden, verstärken die Adhäsion zusätzlich. In Anlehnung daran wurden Polymere aus vier definierten Monomeren durch radikalische Polymerisation synthetisiert und ihre Hafteigenschaften untersucht. Bei den verwendeten Monomeren handelt es sich um das catecholhaltige Dopaminacetonid-Acrylamid, das kationisch geladene Dimethylaminopropylacrylamid, das N-Acryloylglycinamid, das ein primäres Amid enthält, und HEAA, das für nur schwache bis keine Wechselwirkungen bekannt ist. Acht fertige Polymere mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Monomereinschlüssen wurden synthetisiert und auf ihre Fähigkeit zur Adsorption an Glas in wässrigen Medien mittels Quarzkristallmikrowaage (QCM) und Ellipsometrie untersucht. Es zeigte sich, dass Polymere mit höheren Catechol-Gehalten die höchste Adsorption aufwiesen, aber auch die verstärkte Adsorption durch den synergistischen Effekt der Catechole mit primären Aminen und Amiden wurde festgestellt.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Organische Chemie und Makromolekulare Chemie
Dokument erstellt am:	06.01.2025
Dateien geändert am:	06.01.2025
Promotionsantrag am:	15.08.2024
Datum der Promotion:	05.12.2024