Poly(2-alkyl-2-oxazoline)s (PAOXAs) offer a plethora of attractive features, such as broad chemical versatility, biocompatibility, hydrolytic and oxidative stability, and tuneable physical properties. In the biomedical field, these characteristics have been exploited for numerous potential applications, such as for the generation of self-assembling nanoparticles, polymerdrug conjugates, hydrogels, carrier materials for additive manufacturing and bioinert surface coatings.
This doctoral thesis aimed to molecularly engineer PAOXA building blocks for the fabrication of biomaterials and biointerfaces. In the first part of the thesis, I exploited the broad synthetic flexibility and biocompatibility of PAOXA to generate enzymatically crosslinked hydrogels for 3D cell culture of human chondrocytes and bioinks for 3D bioprinting. In the second part, functional cyclic polymers based on PAOXA were synthesized to yield topologically unique hydrogels and nanoassemblies on surfaces.
Synthetic hydrogels can be engineered to mimic the natural extracellular matrix (ECM) by providing an adequate mechanical and biochemical environment for the encapsulated cells. The type of crosslinking used to form such hydrogels in the presence of cells is particularly critical to ensure a high cell viability. Since enzymate-mediated crosslinking is known to be a highly cell-friendly approach, I synthesized PAOXA-peptide conjugates that were crosslinked by a bacterial enzyme, sortase A (SA), in the presence of human chondrocytes, generating hydrogels with tuneable mechanical properties and crosslinking kinetics and excellent cell viability.
The lack of mechanical strength and toughness is a common issue of biocompatible hydrogels designed for load-bearing applications such as for articular cartilage. To mechanically reinforce the enzymatically crosslinked single network PAOXA hydrogel, a double network (DN) hydrogel was formed by introducing ionically crosslinked alginate into the PAOXA hydrogel. The resulting DN hydrogel featured significantly higher storage and compressive moduli while still maintaining high cell viability. Moreover, a DN hydrogel bioink was developed enabling 3D bioprinting in the presence of human chondrocytes to yield printed DN hydrogel structures with good shape fidelity and cell viability.
The second part of the thesis focused on the synthesis of functional cyclic macromolecules based on PAOXA to exploit the unique intrinsic characteristics of cyclic polymers and the distinct physicochemical and interfacial properties of surfaces that were coated with cyclic adsorbates. I hypothesized that the enhanced intramolecular steric repulsion generated within cyclic polymers would lead to stiffer and tougher gels with respect to gels made from their linear analogs. In theory, the crosslinking of cyclic macromolecules would provide a polymer network topology without structural defects such as dangling chain ends. Hence, I synthesized crosslinkable functional cyclic copolymer based on poly(2-ethyl-2-oxazoline) (PEOXA), yielding hydrogels that are solely composed of crosslinked cyclic PEOXA. Remarkably, these “cyclic” gels exhibited up to 42% higher stiffness and larger mesh size at a concomitant higher swelling ratio, with respect to hydrogels formed from their linear analogs with identical molecular weight and composition.
Finally, motivated by previous studies that showed enhanced physicochemical and interfacial properties of surfaces that were grafted with chemically inert, cyclic PAOXA adsorbates, I advanced to grafting functional cyclic adsorbates based on PAOXA, forming cyclic nanoassemblies that featured a functional character. Relevantly, these nanoassemblies of cyclic PAOXA-based polyacid brushes showed an amplified pH responsiveness and cyclic glycopolymer brushes derived from polyacids displayed an increased lectin-binding ability with respect to their linear counterparts. These findings indicate that the functional groups within cyclic glycopolymers are more exposed and available when compared to those within linear-brush analogues. As a result, the functional moiteties along cyclic grafts tended to interact more favorably with sourrounding lectin proteins instead of coiling or associating with neighboring functions.
Poly(2-alkyl-2-oxazoline) (PAOXA) bieten eine Vielzahl attraktiver Eigenschaften wie umfangreiche chemische Vielseitigkeit, Biokompatibilität, hydrolytische und oxidative Stabilität sowie einstellbare physikalische Eigenschaften. Im biomedizinischen Bereich wurden diese Eigenschaften für zahlreiche potenzielle Anwendungen genutzt, beispielsweise zur Erzeugung von selbstorganisierender Nanopartikel, Polymer-Wirkstoff-Konjugate, Hydrogele, Trägermaterialien für additive Fertigungsverfahren und bioinerte Oberflächenbeschichtungen.
Diese Doktorarbeit zielte darauf ab, makromolekulare PAOXA-Bausteine für die Herstellung von Biomaterialien und Biogrenzflächen molekular zu konstruieren. Insbesondere im ersten Teil der Arbeit nutze ich die breite synthetische Flexibilität und Biokompatibilität von PAOXA, um enzymatisch vernetzte Hydrogele für die 3D-Zellkultur menschlicher Chondrozyten und eine Bio-Tinte für das 3D-Bioprinting zu erzeugen. Im zweiten Teil wurden funktionelle ringförmige Polymere auf PAOXA-Basis synthetisiert, um topologisch einzigartige Hydrogele und Nanoanordnungen auf Oberflächen zu erhalten.
Synthetische Hydrogele können so konstruiert werden, dass sie die natürliche extrazelluläre Matrix (ECM) nachahmen, indem sie eine geeignete mechanische und biochemische Umgebung für die eingekapselten Zellen bieten. Dabei ist die Art der Vernetzung, die zur Bildung solcher Hydrogele in Gegenwart von Zellen verwendet wird, besonders kritisch, um eine hohe Lebensfähigkeit der Zellen sicherzustellen. Da die enzymatisch vermittelte Vernetzung bekanntermaßen ein sehr zellfreundlicher Ansatz ist, synthetisierte ich PAOXAPeptidkonjugate, die durch ein bakterielles Enzym, Sortase A (SA), in Gegenwart menschlicher Chondrozyten vernetzt wurden, wobei Hydrogele mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften, anpassbarer Vernetzungskinetik und ausgezeichneter Lebensfähigkeit der Zellen erzeugt wurden.
Mangelnde mechanischer Festigkeit und Zähigkeit ist ein häufiges Problem bei biokompatiblen Hydrogelen, die für tragende Anwendungen wie Gelenkknorpel entwickelt wurden. Zur mechanischen Verstärkung des enzymatisch vernetzten PAOXA-Hydrogels wurde durch Einbringen von ionisch vernetztem Alginat in das PAOXA-Hydrogel ein Hydrogel mit doppeltem Netzwerk (DN) gebildet. Das resultierende DN-Hydrogel wies signifikant höhere Speicher- und Druckmodule auf, während dennoch eine hohe Lebensfähigkeit der Zellen erhalten blieb. Darüber hinaus wurde eine Bio-Tinte aus dem DN-Hydrogel entwickelt, die in Gegenwart menschlicher Chondrozyten mit einem 3D-Biodrucker extrudiert werden konnte, um Hydrogel Strukturen mit guter Formtreue und Lebensfähigkeit der Zellen zu erhalten.
Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Synthese funktioneller cyclischer Makromoleküle auf PAOXA-Basis, um die einzigartigen intrinsischen Eigenschaften cyclischer Polymere und die unterschiedlichen physikalisch-chemischen und Grenzflächen Eigenschaften von Oberflächen, die mit cyclischen Adsorbaten beschichtet sind, zu nutzen. Ich vermutete, dass die verstärkte intramolekulare sterische Abstossung, die innerhalb der cyclischen Polymere erzeugt wird, zu steiferen und härteren Gelen führen würde im Gegensatz zu Gelen, die aus ihren linearen Analoga gebildet wurden. Theoretisch würde nämlich die Vernetzung von cyclischen Makromolekülen eine Polymernetzwerk-Topologie ohne strukturelle Defekte wie baumelnde Kettenenden liefern. Daher synthetisierte ich vernetzbare funktionelle cyclische Copolymere auf der Basis von Poly(2-ethyl-2-oxazolin) (PEOXA), wobei Hydrogele erhalten wurden, die ausschließlich aus vernetztem cyclischem PEOXA bestanden. Bemerkenswerterweise zeigten diese "cyclischen" Gele eine bis zu 42% höhere Steifheit und größere Maschengröße auf bei gleichzeitig höherem Quellverhältnis in Bezug auf Hydrogele, die aus ihren linearen Analoga mit identischem Molekulargewicht und identischer Zusammensetzung gebildet wurden.
Aufgrund früherer Studien, die verbesserte physikalisch-chemische und Grenzflächen Eigenschaften von Oberflächen zeigten, die mit chemisch inerten, cyclischen PAOXAAdsorbaten gepfropft wurden, entwickelte ich funktionelle cyclische Adsorbate auf PAOXABasis, die cyclische Nanoanordnungen mit funktionellem Charakter bilden konnten. Wichtig ist, dass Nanoanordnungen von cyclischen PAOXA-basierten Polysäurebürsten eine erhöhte pH-Empfindlichkeit präsentierten und cyclische Glycopolymerbürsten, die von Polysäuren abgeleitet waren, eine erhöhte Bindungskapazität von Lektinen in Gegensatz zu ihren linearen Analoga aufwiesen. Diese Befunde zeigen, dass die funktionellen Gruppen in cyclischen Glycopolymeren, im Vergleich zu denen in linearen Bürstenanaloga, exponierter und verfügbarer sind. Infolgedessen neigten die funktionellen Einheiten entlang cyclischer Nanoanordnungen dazu, günstiger mit umgebenden Lektinproteinen zu interagieren, anstatt sich zu wickeln oder mit benachbarten Funktionen zu assoziieren.