TY  - THES
A1  - Kumru, Baris
T1  - Utilization of graphitic carbon nitride in dispersed media
T1  - Anwendung von graphitischem Kohlenstoffnitrid in dispergierten Medien
N2  - Utilization of sunlight for energy harvesting has been foreseen as sustainable replacement for fossil fuels, which would also eliminate side effects arising from fossil fuel consumption such as drastic increase of CO2 in Earth atmosphere. Semiconductor materials can be implemented for energy harvesting, and design of ideal energy harvesting devices relies on effective semiconductor with low recombination rate, ease of processing, stability over long period, non-toxicity and synthesis from abundant sources. Aforementioned criteria have attracted broad interest for graphitic carbon nitride (g-CN) materials, metal-free semiconductor which can be synthesized from low cost and abundant precursors. Furthermore, physical properties such as band gap, surface area and absorption can be tuned. g-CN was investigated as heterogeneous catalyst, with diversified applications from water splitting to CO2 reduction and organic coupling reactions. However, low dispersibility of g-CN in water and organic solvents was an obstacle for future improvements. 
Tissue engineering aims to mimic natural tissues mechanically and biologically, so that synthetic materials can replace natural ones in future. Hydrogels are crosslinked networks with high water content, therefore are prime candidates for tissue engineering. However, the first requirement is synthesis of hydrogels with mechanical properties that are matching to natural tissues. Among different approaches for reinforcement, nanocomposite reinforcement is highly promising.
This thesis aims to investigate aqueous and organic dispersions of g-CN materials. Aqueous g-CN dispersions were utilized for visible light induced hydrogel synthesis, where g-CN acts as reinforcer and photoinitiator. Varieties of methodologies were presented for enhancing g-CN dispersibility, from co-solvent method to prepolymer formation, and it was shown that hydrogels with diversified mechanical properties (from skin-like to cartilage-like) are accessible via g-CN utilization. One pot photografting method was introduced for functionalization of g-CN surface which provides functional groups towards enhanced dispersibility in aqueous and organic media. Grafting vinyl thiazole groups yields stable additive-free organodispersions of g-CN which are electrostatically stabilized with increased photophysical properties. Colloidal stability of organic systems provides transparent g-CN coatings and printing g-CN from commercial inkjet printers. 
Overall, application of g-CN in dispersed media is highly promising, and variety of materials can be accessible via utilization of g-CN and visible light with simple chemicals and synthetic conditions. g-CN in dispersed media will bridge emerging research areas from tissue engineering to energy harvesting in near future.
N2  - Sonnenlicht kann fossile Brennstoffe in der Energieerzeugung ersetzen und ermöglicht neben der Nutzung einer nachhaltigen Ressource dabei auch die deutliche Reduktion der Umweltbelastung in der Energieerzeugung. Die Verfügbarkeit geeigneter Energiegewinnungstechnologien hängt entscheidend von der Verfügbarkeit geeigneter Superkondensatoren (SC) ab. Ideale SC sollten sich in diesem Zusammenhang durch eine geringe Rekombinationsrate, gute Verarbeitbarkeit, Langzeitstabilität, Ungiftigkeit und die Verfügbarkeit aus nachhaltigen Ressourcen auszeichnen. Graphitisches Kohlenstoffnitrid (graphitic carbon nitride – g-CN), ein metall-freier Halbleiter, der aus nachhaltigen und in großer Menge verfügbaren Ausgangsstoffen hergestellt werden kann, ist als Material für dieses Eigenschaftsprofil hervorragend geeignet. Darüber hinaus können die Eigenschaften dieses Materials (innere Oberfläche, Bandlücke, Lichtabsorption) eingestellt werden. Daraus ergibt sich ein großes Forschungsinteresse z.B. im Bereich heterogener Katalyse, wie in der Kohlenstoffdioxidreduktion, elektrolytischen Wasserspaltung und verschiedener organischer Kupplungsreaktionen. Unglücklicherweise ist die schlechte Dispergierbarkeit von g-CN in organischen Lösungsmitteln und Wasser ein wesentlicher Hinderungsgrund für die erfolgreiche Nutzbarmachung dieser hervorragenden Eigenschaften.
Das Design von Materialien, die biologisches Gewebe in seinen mechanischen und biologischen Eigenschaften nachahmen und ersetzen können, ist das Ziel der Gewebekonstruktion (Tissue Engineering – TE). Hydrogele, also Netzwerke mit hohem Wassergehalt, gelten als die vielversprechendsten Materialen in diesem Forschungsfeld. Die Herstellung von Hydrogelen, die biologischem Gewebe in seinen mechanischen Eigenschaften ähnelt gilt allerdings als äußerst schwierig und erfordert die Stabilisierung der Netzwerke. Besonders der Einsatz von Nanoverbundstrukturen (nanocomposites) erscheint in diesem Zusammenhang vielversprechend.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von g-CN in sowohl wässrigen, als auch organischen Dispersionen. Im Zuge dessen werden wässrige Dispersionen für die Synthese von Hydrogelen, bei der g-CN sowohl als Photoinitiator für die durch sichtbares Licht ausgelöste Vernetzung, als auch als Strukturverstärker fungiert. Zur Verbesserung der Dispergierbarkeit des g CN werden vielseitige Ansätze präsentiert, welche von der Verwendung von Co-Lösungsmitteln bis zur Präpolymerbildung reichen. Durch die aufgezeigten Ansätze können Hydrogele mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden (hautartig bis knorpelig). Darüber hinaus wird eine Ein-Topf Synthese für die Oberflächenfunktionalisierung vorgestellt, durch die die Dispergierbarkeit von g-CN in organischen und wässrigen Medien verbessert werden kann. Beispielsweise erlaubt die Oberflächenfunktionalisierung mit Vinylthiazol die Herstellung von kolloidal dispergiertem g-CN mit verbesserten photophysikalischen Eigenschaften ohne zusätzliche Additive und eröffnet damit die Möglichkeit transparenter g-CN Beschichtungen und ermöglicht die Druckbarkeit von g-CN aus handelsüblichen Tintenstrahldruckern.
Die Anwendung von g-CN in dispergierten Medien ist vielversprechend, da eine große Zahl sehr vielfältiger Materialien durch die Kombination von g-CN mit sichtbarem Licht aus günstigen, nachhaltigen Ressourcen verfügbar ist. Daher ist zu erwarten, dass g-CN in dispergierten Medien verschiedene im Entstehen begriffene Forschungsfelder von TE bis zur Energiegewinnung überspannen wird.
KW  - polymer chemistry
KW  - Polymerchemie
KW  - photochemistry
KW  - Photochemie
KW  - colloid chemistry
KW  - kolloidchemie
KW  - hydrogels
KW  - Hydrogelen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427339
ER  - 
TY  - THES
A1  - Leiendecker, Mai-Thi
T1  - Physikalische Hydrogele auf Polyurethan-Basis
T1  - Physical hydrogels based on polyurethanes
N2  - Physical hydrogels have gained recent attention as cell substrates, since viscoelasticity or stress relaxation is a powerful parameter in mechanotransduction, which has long been neglected. We designed multi-functional polyurethanes to form physical hydrogels via a unique tunable gelation mechanism. The anionic polyurethanes spontaneously form aggregates in water that are kept in a soluble state through electrostatic repulsion. Fast subsequent gelation can be triggered by charge shielding which allows the aggregation and network building to proceed. This can be induced by adding either acids or salts, resulting in acidic (pH 4-5) or pH-neutral hydrogels, respectively. Whereas conventional polyurethane-based hydrogels are commonly prepared from toxic isocyanate precursors, the physical hydrogelation mechanism described here does not involve chemically reactive species which is ideal for in situ applications in sensitive environments. Both stiffness and stress relaxation can be tuned independently over a broad range and the gels exhibit excellent stress recovery behavior.
N2  - Physikalische Hydrogele gewinnen derzeit als Zellsubstrate zunehmend an Interesse, da Viskoelastizität oder Stressrelaxation ein bedeutender Parameter in der Mechanotransduktion ist, der bisher vernachlässigt wurde. In dieser Arbeit wurden multi-funktionelle Polyurethane entworfen, die über einen neuartigen Gelierungsmechanismus physikalische Hydrogele bilden. In Wasser bilden die anionischen Polyurethane spontan Aggregate, welche durch elektrostatische Abstoßung in Lösung gehalten werden. Eine schnelle Gelierung kann von hier aus durch Ladungsabschirmung erreicht werden, wodurch die Aggregation voranschreitet und ein Netzwerk ausgebildet wird. Dies kann durch die Zugabe von verschiedenen Säuren oder Salzen geschehen, sodass sowohl saure (pH 4 - 5) als auch pH-neutrale Hydrogele erhalten werden können. Während konventionelle Hydrogele auf Polyurethan-Basis in der Regel durch toxische isocyanat-haltige Präpolymere hergestellt werden, eignet sich der hier beschriebene physikalische Gelierungsmechanismus für in situ Anwendungen in sensitiven Umgebungen. Sowohl Härte als auch Stressrelaxation der Hydrogele können unabhängig voneinander über einen breiten Bereich eingestellt werden. Darüberhinaus zeichnen sich die Hydrogele durch exzellente Stressregeneration aus.
KW  - Polyurethane
KW  - Hydrogele
KW  - physikalische Hydrogele
KW  - Kolloidchemie
KW  - Viskoelastizität
KW  - Stressrelaxation
KW  - Stressrelaxierung
KW  - Bulkgele
KW  - Mikrogele
KW  - Mechanotransduktion
KW  - polyurethanes
KW  - hydrogels
KW  - physical hydrogels
KW  - colloidal chemistry
KW  - viscoelasticity
KW  - stress-relaxation
KW  - stress relaxation
KW  - bulk gels
KW  - microgels
KW  - mechanotransduction
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103917
ER  - 
TY  - THES
A1  - Martínez Guajardo, Alejandro
T1  - New zwitterionic polymers for antifouling applications
T1  - Neue zwitterionische Polymere für Antifouling-Anwendungen
N2  - The remarkable antifouling properties of zwitterionic polymers in controlled environments are often counteracted by their delicate mechanical stability. In order to improve the mechanical stabilities of zwitterionic hydrogels, the effect of increased crosslinker densities was thus explored. In a first approach, terpolymers of zwitterionic monomer 3-[N -2(methacryloyloxy)ethyl-N,N-dimethyl]ammonio propane-1-sulfonate (SPE), hydrophobic monomer butyl methacrylate (BMA), and photo-crosslinker 2-(4-benzoylphenoxy)ethyl methacrylate (BPEMA) were synthesized. Thin hydrogel coatings of the copolymers were then produced and photo-crosslinked. Studies of the swollen hydrogel films showed that not only the mechanical stability but also, unexpectedly, the antifouling properties were improved by the presence of hydrophobic BMA units in the terpolymers.

Based on the positive results shown by the amphiphilic terpolymers and in order to further test the impact that hydrophobicity has on both the antifouling properties of zwitterionic hydrogels and on their mechanical stability, a new amphiphilic zwitterionic methacrylic monomer, 3-((2-(methacryloyloxy)hexyl)dimethylammonio)propane-1-sulfonate (M1), was synthesized in good yields in a multistep synthesis. Homopolymers of M1 were obtained by free-radical polymerization. Similarly, terpolymers of M1, zwitterionic monomer SPE, and photo-crosslinker BPEMA were synthesized by free-radical copolymerization and thoroughly characterized, including its solubilities in selected solvents.

Also, a new family of vinyl amide zwitterionic monomomers, namely 3-(dimethyl(2-(N -vinylacetamido)ethyl)ammonio)propane-1-sulfonate (M2), 4-(dimethyl(2-(N-vinylacetamido)ethyl)ammonio)butane-1-sulfonate (M3), and 3-(dimethyl(2-(N-vinylacetamido)ethyl)ammonio)propyl sulfate (M4), together with the new photo-crosslinker 4-benzoyl-N-vinylbenzamide (M5) that is well-suited for copolymerization with vinylamides, are introduced within the scope of the present work. The monomers are synthesized with good yields developing a multistep synthesis. Homopolymers of the new vinyl amide zwitterionic monomers are obtained by free-radical polymerization and thoroughly characterized. From the solubility tests, it is remarkable that the homopolymers produced are fully soluble in water, evidence of their high hydrophilicity. Copolymerization of the vinyl amide zwitterionic monomers, M2, M3, and M4 with the vinyl amide photo-crosslinker M5 proved to require very specific polymerization conditions. Nevertheless, copolymers were successfully obtained by free-radical copolymerization under appropriate conditions.

Moreover, in an attempt to mitigate the intrinsic hydrophobicity introduced in the copolymers by the photo-crosslinkers, and based on the proven affinity of quaternized diallylamines to copolymerize with vinyl amides, a new quaternized diallylamine sulfobetaine photo-crosslinker 3-(diallyl(2-(4-benzoylphenoxy)ethyl)ammonio)propane-1-sulfonate (M6) is synthesized. However, despite a priori promising copolymerization suitability, copolymerization with the vinyl amide zwitterionic monomers could not be achieved.
N2  - Die hervorragenden Antifouling-Eigenschaften zwitterionischer Polymere in kontrollierten Bedingungen werden häufig durch ihre geringe mechanische Stabilität beeinträchtigt. Um die mechanische Eigenschaften zwitterionischer Hydrogele zu verbessern, wurde daher der Effekt einer erhöhten Vernetzungsdichte untersucht. In einem ersten Ansatz wurden Terpolymere aus dem zwitterionischen Monomer 3-[N -2(Methacryloyloxy)ethyl-N,N-dimethyl]ammonio propan-1-sulfonat (SPE), dem hydrophoben Monomer Butylmethacrylat (BMA) und dem Photovernetzer 2-(4-Benzoylphenoxy)ethylmethacrylat (BPEMA) synthetisiert. Daraufhin wurden dünne Beschichtungen der Copolymere hergestellt und photovernetzt. Die Untersuchung der gequollenen Hydrogelfilme zeigte, dass nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern überraschenderweise auch die Antifouling-Eigenschaften der Hydrogele durch den Einbau von hydrophoben BMA-Einheiten in die Terpolymere verbessert wurden. 

Aufgrund der positiven Ergebnisse der amphiphilen Terpolymere und um die Auswirkungen der Hydrophobie sowohl auf die Antifouling- als auch auf die mechanische Eigenschaften der zwitterionischen Hydrogele zu testen, wurde ein neues amphiphiles zwitterionisches Methacrylat, nämlich 3-((2-(Methacryloyloxy)hexyl)dimethylammonio)propan-1-sulfonat (M1), in guter Ausbeute synthetisiert. Homopolymere von M1 wurden durch radikalische Polymerisation erhalten. In ähnlicher Weise wurden Terpolymere aus M1, dem zwitterionischen Monomer SPE und dem Photovernetzer BPEMA durch radikalische Copolymerisation synthetisiert und gründlich charakterisiert, einschließlich ihrer Löslichkeiten in ausgewählten Lösungsmitteln. 

Außerdem wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neue Familie von zwitterionischen Vinylamidmonomeren, nämlich 3-(Dimethyl(2-(N-vinylacetamido)ethyl)ammonio)propan-1-sulfonat (M2), 4-(Dimethyl(2-(N -vinylacetamido)ethyl)ammonio)butan-1-sulfonat (M3) und 3-(Dimethyl(2-(N -vinylacetamido)ethyl)ammonio)propylsulfat (M4), zusammen mit einem geeigneten Vinylamid-Photovernetzer, nämlich 4-Benzoyl-N -vinylbenzamide (M5) entwickelt. Die Monomere wurden in einer Mehrstufen-Synthese mit guten Ausbeuten synthetisiert. Homopolymere der neuen zwitterionischen Vinylamidmonomere wurden durch radikalische Polymerisation erhalten und eingehend charakterisiert. Die Löslichkeitstests zeigen, dass die hergestellten Homopolymere bemerkenswerterweise vollständig in reinem Wasser löslich sind, was ihre hohe Hydrophilie beweist. Die Copolymerisation der zwitterionischen Vinylamidmonomere M2, M3 und M4 mit dem Vinylamid-Photovernetzer M5 erwies sich als schwierig. Die Copolymere lassen sich dennoch unter sehr spezifische Bedingungen durch radikalische Copolymerisation herstellen. 

Des Weiteren, um die durch die Photovernetzer in die Copolymere eingebrachte inhärente Hydrophobie zu mindern und aufgrund ihrer nachgewiesenen Affinität zur Copolymerisation mit Vinylamiden, wurde ein neuer quaternisierter Diallylaminsulfobetain-Photovernetzer 3-(Diallyl(2-(4-benzoylphenoxy)ethyl)ammonio)propan-1-sulfonat (M6) synthetisiert. Trotz a priori vielversprechender Copolymerisationseignung konnte jedoch keine Copolymerisation mit den zwitterionischen Vinylamidmonomeren erreicht werden.
KW  - antifouling
KW  - Antifouling
KW  - copolymers
KW  - Copolymere
KW  - hydrogels
KW  - Hydrogele
KW  - zwitterions
KW  - Zwitterionen
KW  - synthesis
KW  - Synthese
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626820
ER  - 
TY  - THES
A1  - Santan, Harshal Diliprao
T1  - Synthesis and characterization of thermosensitive hydrogels derived from polysaccharides
N2  - In this work, thermosensitive hydrogels having tunable thermo-mechanical properties were synthesized. Generally the thermal transition of thermosensitive hydrogels is based on either a lower critical solution temperature (LCST) or critical micelle concentration/ temperature (CMC/ CMT). The temperature dependent transition from sol to gel with large volume change may be seen in the former type of thermosensitive hydrogels and is negligible in CMC/ CMT dependent systems. The change in volume leads to exclusion of water molecules, resulting in shrinking and stiffening of system above the transition temperature. The volume change can be undesired when cells are to be incorporated in the system. The gelation in the latter case is mainly driven by micelle formation above the transition temperature and further colloidal packing of micelles around the gelation temperature. As the gelation mainly depends on concentration of polymer, such a system could undergo fast dissolution upon addition of solvent. Here, it was envisioned to realize a thermosensitive gel based on two components, one responsible for a change in mechanical properties by formation of reversible netpoints upon heating without volume change, and second component conferring degradability on demand. As first component, an ABA triblockcopolymer (here: Poly(ethylene glycol)-b-poly(propylene glycol)-b-poly(ethylene glycol) (PEPE) with thermosensitive properties, whose sol-gel transition on the molecular level is based on micellization and colloidal jamming of the formed micelles was chosen, while for the additional macromolecular component crosslinking the formed micelles biopolymers were employed. The synthesis of the hydrogels was performed in two ways, either by physical mixing of compounds showing electrostatic interactions, or by covalent coupling of the components. Biopolymers (here: the polysaccharides hyaluronic acid, chondroitin sulphate, or pectin, as well as the protein gelatin) were employed as additional macromolecular crosslinker to simultaneously incorporate an enzyme responsiveness into the systems. In order to have strong ionic/electrostatic interactions between PEPE and polysaccharides, PEPE was aminated to yield predominantly mono- or di-substituted PEPEs. The systems based on aminated PEPE physically mixed with HA showed an enhancement in the mechanical properties such as, elastic modulus (G′) and viscous modulus (G′′) and a decrease of the gelation temperature (Tgel) compared to the PEPE at same concentration. Furthermore, by varying the amount of aminated PEPE in the composition, the Tgel of the system could be tailored to 27-36 °C. The physical mixtures of HA with di-amino PEPE (HA·di-PEPE) showed higher elastic moduli G′ and stability towards dissolution compared to the physical mixtures of HA with mono-amino PEPE (HA·mono-PEPE). This indicates a strong influence of electrostatic interaction between –COOH groups of HA and –NH2 groups of PEPE. The physical properties of HA with di-amino PEPE (HA·di-PEPE) compare beneficially with the physical properties of the human vitreous body, the systems are highly transparent, and have a comparable refractive index and viscosity. Therefore,this material was tested for a potential biological application and was shown to be non-cytotoxic in eluate and direct contact tests. The materials will in the future be investigated in further studies as vitreous body substitutes. In addition, enzymatic degradation of these hydrogels was performed using hyaluronidase to specifically degrade the HA. During the degradation of these hydrogels, increase in the Tgel was observed along with decrease in the mechanical properties. The aminated PEPE were further utilised in the covalent coupling to Pectin and chondroitin sulphate by using EDC as a coupling agent. Here, it was possible to adjust the Tgel (28-33 °C) by varying the grafting density of PEPE to the biopolymer. The grafting of PEPE to Pectin enhanced the thermal stability of the hydrogel. The Pec-g-PEPE hydrogels were degradable by enzymes with slight increase in Tgel and decrease in G′ during the degradation time. The covalent coupling of aminated PEPE to HA was performed by DMTMM as a coupling agent. This method of coupling was observed to be more efficient compared to EDC mediated coupling. Moreover, the purification of the final product was performed by ultrafiltration technique, which efficiently removed the unreacted PEPE from the final product, which was not sufficiently achieved by dialysis. Interestingly, the final products of these reaction were in a gel state and showed enhancement in the mechanical properties at very low concentrations (2.5 wt%) near body temperature. In these hydrogels the resulting increase in mechanical properties was due to the combined effect of micelle packing (physical interactions) by PEPE and covalent netpoints between PEPE and HA. PEPE alone or the physical mixtures of the same components were not able to show thermosensitive behavior at concentrations below 16 wt%. These thermosensitive hydrogels also showed on demand solubilisation by enzymatic degradation. The concept of thermosensitivity was introduced to 3D architectured porous hydrogels, by covalently grafting the PEPE to gelatin and crosslinking with LDI as a crosslinker. Here, the grafted PEPE resulted in a decrease in the helix formation in gelatin chains and after fixing the gelatin chains by crosslinking, the system showed an enhancement in the mechanical properties upon heating (34-42 °C) which was reversible upon cooling. A possible explanation of the reversible changes in mechanical properties is the strong physical interactions between micelles formed by PEPE being covalently linked to gelatin. Above the transition temperature, the local properties were evaluated by AFM indentation of pore walls in which an increase in elastic modulus (E) at higher temperature (37 °C) was observed. The water uptake of these thermosensitive architectured porous hydrogels was also influenced by PEPE and temperature (25 °C and 37 °C), showing lower water up take at higher temperature and vice versa. In addition, due to the lower water uptake at high temperature, the rate of hydrolytic degradation of these systems was found to be decreased when compared to pure gelatin architectured porous hydrogels. Such temperature sensitive architectured porous hydrogels could be important for e.g. stem cell culturing, cell differentiation and guided cell migration, etc. Altogether, it was possible to demonstrate that the crosslinking of micelles by a macromolecular crosslinker increased the shear moduli, viscosity, and stability towards dissolution of CMC-based gels. This effect could be likewise be realized by covalent or non-covalent mechanisms such as, micelle interactions, physical interactions of gelatin chains and physical interactions between gelatin chains and micelles. Moreover, the covalent grafting of PEPE will create additional net-points which also influence the mechanical properties of thermosensitive architectured porous hydrogels. Overall, the physical and chemical interactions and reversible physical interactions in such thermosensitive architectured porous hydrogels gave a control over the mechanical properties of such complex system. The hydrogels showing change of mechanical properties without a sol-gel transition or volume change are especially interesting for further study with cell proliferation and differentiation.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden thermosensitive Hydrogele mit einstellbaren thermo-mechanischen Eigenschaften synthetisiert. Im Allgemeinen basiert der thermische Übergang thermosensitiver Gele auf einer niedrigsten kritischen Löslichkeitstemperatur (LCST) oder kritischer Mizellkonzentration bzw. –temperatur(CMC/ CMT). Der temperaturabhängige Übergang von Sol zu Gel mit großer Volumenänderung wurde im ersten Fall bei thermosensitiven Hydrogelen beobachtet und ist vernachlässigbar für CMC/ CMT abhängige Systeme. Die Änderung des Volumens führt zum Ausschluss von Wassermolekülen, was zum Schrumpfen und Versteifen des Systems oberhalb der Übergangstemperatur führt. Die Volumenänderung kann unerwünscht sein, wenn Zellen in das Gel eingeschlossen werden sollen. Die Gelierung im zweiten Fall beruht hauptsächlich auf der Mizellbildung oberhalb der Übergangstemperatur und weiterem kolloidalem Packen von Mizellen im Bereich der Gelierungstemperatur. Weil die Gelierung hauptsächlich von der Polymerkonzentration abhängt, kann sich das Gel bei Zugabe von Lösungsmittel leicht wieder lösen. Hier sollten thermosensitive Gele entwickelt werden, die auf zwei Komponenten beruhen. Eine Komponente sollte aus einem ABA-Triblockcopolymer mit thermosensitiven Eigenschaften bestehen, dem Poly(ethylen glycol)-b-Poly(propylenglycol)-b-Poly(ethylen glycol) (PEPE), dessen Sol-Gel-Übergang auf Mizellierung und kolloidalem Jamming der gebildeten Mizellen basiert, und einer weiteren makromolekularen Komponente, einem Biopolymer, dass die Mizellen vernetzt. Auf diese Weise sollten thermosensitive Gele realisiert werden, die keine oder nur eine kleine Volumenänderung während der Änderung der mechanischen Eigenschaften zeigen, die stabiler gegenüber Verdünnung sein sollten als klassische Hydrogele mit einem CMC-basierten Übergang und die jedoch gezielt abgebaut werden können. Die Hydrogele wurden auf zwei Arten vernetzt, entweder durch physikalisches Vermischen, bei dem die Vernetzung durch elektrostatische Wechselwirkungen erfolgte, oder durch kovalente Kopplung der beiden Komponenten. Als makromolekulare Komponente zur Vernetzung der Mizellen wurden Biopolymere (hier: die Polysaccharide Hyaluronsäure (HA), Chondroitinsulfat oder Pektin oder das Protein Gelatin) verwendet, um die Hydrogele enzymatisch abbaubar zu gestalten. Um eine starke ionische/elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem PEPE und den Polysachariden zu erzielen, wurde PEPE aminiert, um hauptsächlich monoaminiertes bzw. diaminiertes PEPE einsetzen zu können. Die Gele, die auf der physikalischen Mischung von aminierten PEPE mit HA bestehen, zeigten im Vergleich zu PEPE bei gleicher Konzentration eine Zunahme der mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise dem elastischem Modulus (G′) und dem Viskositätsmodulus (G′′) bei gleichzeitiger Abnahme der Gelierungstemperatur (Tgel). Durch Variation des Gehalts an aminierten PEPE-, konnte die Tgel in einem Bereich von 27-36 °C eingestellt werden. Interessanterweise zeigten die physikalischen Mischungen mit diaminierten PEPE (HA·di-PEPE) höhere mechanische Eigenschaften (elastischer Modulus G′) und eine höhere Stabilität gegenüber Verdünnungseffekten als Mischungen mit monoaminiertem PEPE (HA·mono-PEPE). Dies zeigt den starken Einfluss der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der Carboxylgruppe der HA und der Amingruppe von PEPE. Die physikalischen Eigenschaften HA·di-PEPE sind vergleichbar mit den physikalischen Eigenschaften des Glaskörpers im Auge hinsichtlich Transparenz, Brechungsindex und Viskosität. Deswegen wurde das Material hinsichtlich seiner biologischen Anwendung getestet und zeigte sich sowohl im Überstand als auch im direkten Kontakt als nichtzytotoxisch. Zukünftig wird dieses Material in weiteren Untersuchungen bezüglich seiner Eignung als Glaskörperersatz geprüft werden. Zusätzlich konnte der enzymatische Abbau der Hydrogele mit Hyaluronidase gezeigt werden, die spezifisch HA abbaut. Beim Abbau der Hydrogele stieg Tgel bei gleichzeitiger Abnahme der mechanischen Eigenschaften. Aminiertes PEPE wurde zusätzlich zur kovalenten Bindung unter Verwendung von EDC als Aktivator an Pektin und Chondroitinsulfat eingesetzt. Tgel konnte auf 28 – 33 °C eingestellt werden durch Variation der Pfropfungsdichte am Biopolymer bei gleichzeitiger Zunahme der thermischen Stabilität. Die Pec-g-PEPE Hydrogele waren enzymatisch abbaubar, was zu einer leichten Erhöhung von Tgel und zu einer Abnahme von G′ führte. Die kovalente Bindung der aminierten PEPE an HA erfolgte unter Verwendung von DMTMM als Aktivator, der sich in diesem Fall als effektiver als EDC herausstellte. Die Reinigung mittels Ultrafiltration führte zu einer deutlich besseren Aufreinigung des Produkts als mittels Dialyse. Die gegrafteten Systeme waren in Nähe der Körpertemperatur bereits im Gelstadium und zeigten eine Erhöhung der mechanischen Eigenschaften bereits bei sehr geringen Konzentrationen von 2.5Gew.%. Die höheren mechanischen Eigenschaften dieser Hydrogele erklären sich durch die Kombination der Mizellbildung (physikalische Wechselwirkung) des PEPE und der Bildung kovalenter Netzpunkte zwischen PEPE und HA. PEPE bzw. entsprechende physikalische Mischungen derselben Komponenten zeigten kein thermosensitives Verhalten bei einer Konzentration unterhalb von 16 Gew%. Diese thermosensitiven Hydrogele zeigten auch eine Löslichkeit auf Abruf durch enzymatischen Abbau. Das Konzept der Thermosensitivität wurde in 3D strukturierte, poröse Hydrogele (TArcGel)eingeführt, bei dem PEPE kovalent an Gelatin gebunden wurde und mit LDI vernetzt wurde. Das gepfropfte PEPE führte zu einer Erniedrigung der Helixbildung der Gelatinketten. Nach Fixierung der Gelatinketten durch Vernetzung zeigte das System eine Erhöhung der mechanischen Eigenschaften bei Erwärmung (34-42 °C). Dieses Phänomen war reversibel beim Abkühlen. Eine mögliche Erklärung der reversiblen Änderungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften sind die starken physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Mizellen des PEPE, die kovalent an Gelatin gebunden wurden. Ferner wurde durch AFM Untersuchungen festgestellt, dass bei Temperaturerhöhung (37 °C) die örtlichen elastischen Moduli (E) der Zellwände zugenommen haben. Zusätzlich wurde die Wasseraufnahme der TArcGele durch PEPE und die Temperatur (25 °C und 37 °C) beeinflusst und zeigte eine niedrigere Wasseraufnahme bei höherer Temperatur und umgekehrt. Durch die niedrigere Wasseraufnahme bei hohen Temperaturen erniedrigte sich die Geschwindigkeit des hydrolytischen Abbaus im Vergleich zu dem strukturierten Hydrogel aus reiner Gelatin. Diese temperatursensitiven ArcGele könnten bedeutsam sein für Anwendungen im Bereich Stammzellkultivierung, Zelldifferenzierung und gerichteter Zellmigration. Zusammenfassend konnte bei den thermosensitiven Hydrogelen gezeigt werden, dass die Vernetzung von Mizellen mit einem makromolekularen Vernetzer die Schermoduli, Viskosität und Löslichkeitsstabilität im Vergleich zu reinen ABATriblockcopolymeren mit CMC-Übergang erhöht. Dieser Effekt konnte durch kovalente und nichtkovalente Mechanismen, wie beispielsweise Mizell- Wechselwirkungen, physikalische Interaktionen von Gelatinketten und physikalische Interaktionen von Gelatinketten und Mizellen, realisiert werden. Das Pfropfen von PEPE führte zu zusätzlichen Netzpunkten, die die mechanischen Eigenschaften der thermosensitiven architekturisierten, porösen Hydrogele beeinflussten. Insgesamt ermöglichten die physikalischen und chemischen Bindungen und die reversiblen physikalischen Wechselwirkungen in den strukturierten, porösen Hydrogelen eine Kontrolle der mechanischen Eigenschaften in diesem sehr komplexen System. Die Hydrogele, die eine Veränderung ihrer mechanischen Eigenschaften ohne Volumenänderung oder Sol-Gel-Übergang zeigen sind besonders interessant für Untersuchungen bezüglich Zellproliferation und –differenzierung.
KW  - thermosensitive
KW  - hydrogels
KW  - biomaterials
KW  - biopolymers
KW  - sol-gel
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69793
ER  -