Abstract:
Hydrogele haben sich zu einem wichtigen Feld der Polymerchemie mit vielen
verschiedenen Anwendungen, wie etwa in der Agrarwirtschaft, Medizin,
Beschichtungen oder Biotechnik, entwickelt. Besonders selbst-heilende Hydrogele,
die intrinsisch Bruchstellen und strukturelle Defekt reparieren können, sind ein
interessantes Material für Gewebetechnik, Wundauflagen und
Medikamentenverabreichung. Sie können neu geformt, injiziert und recycelt werden
und bilden üblicherweise auch die Grundlage für sogenannte „intelligente selbstheilende“
Materialien, da ihr dynamischer Quervernetzungsmechanismus oft durch
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äußere Einflüsse wie etwa den pH-Wert, Wärme oder das Hinzufügen anderer Stoffe
wie etwa Zucker gestört werden kann und damit ein Auflösen des Hydrogels
verursacht. Die meisten selbst-heilenden Hydrogele basieren auf schlecht
modifizierbaren Polymeren oder müssen aus teuren Grundstoffen synthetisiert
werden. Das dynamische Verhalten der Netzwerkknoten und den dadurch
verursachten ständigen Austausch der Verbindungen verursachen ein Fließen des
Gels durch die Erdanziehungskraft, sodass Strukturen aus selbst-heilenden
Hydrogelen meist zu einer formlosen Masse zusammenfallen. Der einfachste Ansatz,
dieses Zerfließen zu verhindern, ist der Einbau von statischen Quervernetzern in das
Hydrogel, um dem Austausch der dynamischen Quervernetzer entgegenzuwirken,
was aber auch die Selbstheilung des Hydrogels beeinträchtigt.
In dieser Arbeit wird ein neues, selbstheilendes Basishydrogel synthetisiert und
beschrieben. Es basiert auf der Quervernetzung von 2,3-Dihydroxypropylmethacrylat
(DHPMA) mittels eines bifunktionalen, Phenylboronsäure-funktionalisierten
poly(Ethylenglykol) (PEG) Quervernetzers, welcher durch die Zugabe von Base
Phenylboronsäure Ester ausbilden kann. DHPMA kann aus Glycidylmethacrylat
synthetisiert werden, welches in großen Mengen verfügbar und kosteneffizient ist und
mit einer Vielzahl an Comonomeren polymerisiert werden kann. Durch die Diol-
Seitenkette ist Poly(DHPMA) sehr gut wasserlöslich und kann daher als Hydrogel
Basis verwendet werden. Diese Diol-Seitenketten ermöglichen die Entstehung von
Phenylboronsäureestern, welche durch den dynamische PEG Quervernetzer
verschiedene Polymerketten verbinden können. Der Überfluss an Diolen verstärkt die
Selbstheilungfähigkeit des Hydrogels, indem es Umesterungen als Austauschmechanismus bevorzugt. Das erste synthetisierte Hydrogel war weich und
zeigte das charakteristische Fließverhalten eines dynamischen Netzwerks. Das
Hydrogel reagierte unterschiedlich auf schnelle und langsame Krafteinwirkungen.
Langsame Einwirkungen verformten das Gel, während schnelle Krafteinwirkungen in
eine elastische Verformung des Hydrogels verursachten. Dieses Verhalten deckte sich
mit den Eigenschaften anderer Bor-basierter Hydrogele. Nachdem viele Versuche das
Hydrogel durch die Interaktion diverser funktioneller Gruppen direkt am Polymer
Grundgerüst statisch querzuvernetzen scheiterte, konnte durch die Copolymerisation
von DHPMA mit Poly(ethylenglykol) diacrylat (PEGDA) die gewünschte Kombination
aus dynamischem und statischem Netzwerk generiert werden. Versuche das
synthetisierte Hydrogel durch eine Spritze 3D zu drucken zeigten jedoch, dass das
PEGDA eine sehr grobe, makroskopische Struktur im Hydrogel generierte, welches
bei präzisen Anwendungen des Hydrogels auf Oberflächen erschweren würde. Durch
Zufall wurde festgestellt, dass eine einstufige UV-Polymerisation von DHPMA mit dem
dynamischen Linker und einer Base ohne die Zugabe eines statischen Quervernetzers
einen ähnlichen Effekt generierte wie die Copolymerisation mit PEGDA. Das
synthetisierte Hydrogel weiste kein Fließverhalten durch den Einfluss der Schwerkraft
auf und hatte nicht die grobe Struktur des PEGDA beinhaltenden Hydrogels. Weitere
Tests zeigten, dass durch die Kombination der gestiegenen Viskosität während der
Reaktion durch die in-situ Gelierung und die leichte Spaltung des MMA Rückgrats
durch die Verwendung von 254 nm UV Licht eine leichte Quervernetzung in das
Hydrogel eingebaut werden konnte. Weitere rheologische Messungen am neuen
Hydrogel zeigten, dass es im Gegensatz zu dem thermisch polymerisierten Hydrogel
drei anstatt zwei Bereiche mit unterschiedlichem Deformationsverhalten aufwies.
Zusätzlich zu der elastischen Reaktion auf schnelle und die plastische Deformierung
bei langsameren Krafteinwirkungen wechselt das Verhalten für sehr langsame Kräfte
wieder auf elastische Deformierung. Da die Einwirkung der Schwerkraft einer sehr
langsamen Scherfrequenz entspricht, fließt das Hydrogel in Ruhe nicht. Diese
rheologischen Eigenschaften machen das Hydrogel zu einem überaus effektiven 3D
Druck Material, da die plastische Deformierung den Scherkräften bei der Extrusion
entspricht.
Bei einem zweiten Hydrogel System wurden GMA und poly(GMA) mittels Modifikation
mit Diethanolamin zu einem Mono- bzw. Polymer synthetisiert, welches das Bor Atom
so koordinieren konnte, dass es einen stärkeren und pH-unabhängigen
Phenylboronsäureester bilden konnte. Durch die Zugabe des bifunktionalen
Phenylboronsäure Linkers konnte ein selbstheilendes Hydrogel generiert werden,
welches sowohl in pH neutraler Umgebung als auch in der Anwesenheit von Zuckern
stabil blieb.
Abstract (englisch):
Hydrogels are an important field of polymer science research with many applications
ranging from agriculture and medical care to coating and bioengineering. Especially
self-healing hydrogels that can intrinsically repair ruptures and structural defects pose
an interesting material for tissue engineering, wound dressings and drug delivery
applications. They can be reshaped, injected and recycled and can usually be made
stimuli-responsive to make so called “smart self-healing materials” due to their dynamic
cross-linking system and the deliberate deconstruction through external factors like
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heat, pH variation or the addition of substances like sugars. However, most selfhealing
hydrogel systems are based on polymers with a limited range for modification
or need to be synthesized from expensive compounds. Furthermore, the dynamic
nature of these hydrogels makes them creep from gravitational pull, so that generated
structures would usually end up in a formless mass of hydrogel. The easiest solution
to mitigate this creep is the addition of a static network component that counters the
flow of the dynamic network, which on the other hand limits the self-healing properties
of such a material.
In this work a new self-healing hydrogel platform is described. It is based on the
reversible cross-linking of polymers derived from 2,3-dihydroxypropyl methacrylate
(DHPMA) with a bifunctional phenylboronic acid poly(ethylene glycol) (PEG) as crosslinker
that forms phenylboronic acid esters upon the addition of a base. DHPMA can
be synthesized from glycidyl methacrylate (GMA), which is widely available and very
cost-effective and can be copolymerized with a lot of different comonomers.
Poly(DHPMA) is a water-soluble polymer due to its diol sidechain and can therefore
function as a hydrogel base polymer. These diol groups also enable the formation of
boronic acid esters, that can connect different polymer chains through the synthesized
phenylboronic acid functionalized PEG linker. The abundance of the diols in the
hydrogel helps the self-healing abilities by benefitting transesterification as an
exchange mechanism. The initial hydrogel synthesized in this thesis was extremely
soft and showed the characteristic creep known for dynamic networks. The hydrogel
would also react differently to fast and slow effects of force. Slow force could deform
the gel, while fast force would result in an elastic response of the hydrogel. This effect
is also in accordance with other boronic acid-based hydrogels. After a lot of attempts failed to statically cross-link the hydrogel through the interaction of functional groups
at the backbone, the copolymerization of polyethylene glycol diacrylate (PEGDA)
achieved the desired effect to combine static and dynamic cross-linking in a selfhealing
hydrogel. The attempt to 3D-print this hydrogel through extrusion revealed, that
the static cross-linking would generate a coarse structure within the hydrogel that
would make exact application of the gel to a surface difficult. By chance it was
discovered, that through the one-pot UV-polymerization of DHPMA with the dynamic
linker and base, similar properties could be generated without the addition of a static
cross-linker. This hydrogel also showed no creep but was lacking the rough structure
of the PEGDA containing hydrogel. Further investigations suggested that through the
combination of the increase in viscosity through the in-situ gelation and the MMA
backbone decomposition from the 254 nm UV light used, slight static cross-linking
could be introduced in the hydrogel. Subsequent rheological studies also showed that
the hydrogel had three distinct deformation areas depending on the shear frequency,
compared to the two areas of the thermally polymerized hydrogel. Beyond the elastic
properties for high shear frequencies and the plastic deformation at lower frequencies
the hydrogel would respond elastically again at even lower frequencies. Since
gravitational pull equals a low shear frequency, the hydrogel stays in place if rested.
These rheological properties make the hydrogel perfect for 3D printing, since the
extrusion process happens to operate in the plastic deformation region of the hydrogel.
For a second hydrogel system, GMA and poly(GMA) were modified with
diethanolamine to yield a mono- respectively polymer that could coordinate the boron
atom to form a stronger and pH-independent boronic acid ester. Through the addition
of the bifunctional phenylboronic acid linker a hydrogel could be generated that was
both self-healing and stable in neutral pH environment as well as sugar containing
solutions.
