Biomimetic Zwitterionic Sulfobetaine Polymers As Functional Biointerfaces

Humane pluripotente Stammzellen (hPSC) besitzen die Fähigkeit zur Selbsterneuerung und können darüber hinaus in alle möglichen Zelltypen differenzieren. Aus diesen Gründen bieten hPSCs beispiellose Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der regenerativen Medizin. Die vollständige Ausnutzung dieses Potenzials erfordert neue Techniken der in vitro Kultivierung um Kontrolle über Differenzierung und Proliferation der Zellen zu erhalten. Zu diesem Zweck kommen unter anderem biokompatible Polymerbeschichtungen als Kulturplattformen zum Einsatz, welche das native Milieu der Zellen so gut wie möglich nachahmen sollen. ... mehrDiese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung entsprechender biomimetischer Polymerbeschichtungen auf Basis von Sulfobetainen, welche abstimmbare Materialeigenschaften in Bezug auf hPSC-Adhäsion und Proliferation aufweisen sollen. Dazu wurde zunächst die CVD-Polymerisation (Chemical Vapor Deposition) angewendet um funktionalisierte, reaktive Substrate zu erhalten. Diese wurden im Folgenden mittels "grafting-from" und "grafting-to" Methoden modifiziert, um Polysulfobetain-schichten auf diesen Substraten anzubringen, welche eine Kontrolle im Hinblick auf Schichtdicke, Benetzbarkeit und Oberflächenrauhigkeit erlauben.
Mittels der CVD-Polymerisation wurden Alkin-funktionalisierte Beschichtungen hergestellt, um anschließend ein RAFT-Agenz (Reversible-Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragung) mit einer klickbaren Azidgruppe über eine metallfreie Klickreaktionen anzubinden. Aus diesen Oberflächen wurden biomimetische Polymerbeschichtungen, bestehend aus Poly[2-(Methacryloyl-oxy)ethyldimethyl-(3-sulfopropyl)ammoniumhydroxid] (PMEDSAH) mittels eines "grafting-from"-Ansatzes hergestellt. Dadurch konnten Polymerbesichtungen mit einer Schichtdicke von bis zu 20 nm und einer Oberflächenrauhigkeit von 3,6 nm mit hoher Benetzbarkeit in kontrollierter Art und Weise hergestellt werden.
Darüber hinaus wurde erstmals ein modulares, molekulares System zur Polymerbeschichtung mit dem Namen Interfacial Gemini Transformers (IGT) entwickelt um das Wachstum humaner embryonaler Stammzellen (hESC) auf künstlichen Substraten zu ermöglichen. Dabei handelt es sich um Makromoleküle, bei denen eine zentrale Benzaldehydgruppe auf beiden Seiten von zwitterionischen Polysulfobetainsegmenten flankiert wird. Diese Segmente wurden nach ihrer Synthese auf funktionellen CVD-Beschichtungen mittels einer "grafting-to"-Methode immobilisiert. Die resultierenden Schichtdicken und Oberflächenladungen konnten über die Molmassen der IGTs gesteuert werden. Diese IGT-modifizierten Substrate waren für die Adhäsion und anschließende Proliferation von hESC in einem undifferenzierten Zustand geeignet. Darüber hinaus führte die räumlich kontrollierte Immobilisierung der IGTs mittels Mikrokontaktdruck zu einer entsprechenden räumlich definierten Proteinabscheidung auf CVD-modifizierten Substraten. Somit wurden biomimetische, zwitterionische Polymerbürstensysteme entwickelt, welche aufgrund ihrer einzigartigen Beziehungen zwischen Struktur und Materialeigenschaften und ihres Skalierbarkeitspotenzials für die Bereiche Biomedizin und Regenerative Medizin ein hohes Anwendungspotential besitzen.

Human pluripotent stem cells (hPSC) self-renew and differentiate extensively, bringing unprecedented opportunities for research in the field of regenerative medicine. To tap into such potential, the development of biocompatible polymer brushes as human stem cell culture platforms that closely mimic the biological milieu is vital to grow these cells in vitro. This dissertation focuses on developing biomimetic zwitterionic sulfobetaine polymer brush systems with tunable material properties, in relation to hPSC adhesion and proliferation. For this purpose, chemical vapor deposition (CVD) polymerization was first used to obtain functionalized substrates, followed by “grafting-from” and “grafting-to” methods to graft polymer brushes on these substrates, encompassing controllable thickness, wettability, and surface roughness. ... mehr
Alkyne functionalized coatings prepared by CVD polymerization were generated to introduce reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) agents with a clickable azide group via metal-free click reactions. Biomimetic polymer brushes, poly[2-(methacryloyloxy)ethyl dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide] (PMEDSAH), were grown from these surfaces using a “grafting-from” approach to obtain polymer brushes up to 20 nm thick, and surface roughness of 3.6 nm possessing high wettability were achieved.
Further, for the first time, a modular molecular polymer brush system called interfacial Gemini transformers (IGT) containing a central benzaldehyde group flanked by zwitterionic sulfobetaine polymer segments on either side were designed and synthesized for the growth of human embryonic stem cells (hESC) in vitro. They were immobilized on functional coatings made via CVD polymerization using a “grafting-to” approach. IGTs with different molar masses exhibited tunable surface thickness and surface charge. These IGT-modified substrates were suitable for the adhesion and subsequent proliferation of hESC in an undifferentiated state. In addition, spatially controlled immobilization of IGT using microcontact printing on substrates coated with reactive functional coatings resulted in controlled protein deposition with spatiotemporal control. Thus, biomimetic zwitterionic polymer brush systems were developed to be used for biomedical applications and regenerative medicine due to their unique structure-property relationship and scalability potential.