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New inverse opal hydrogels as platform for detecting macromolecules

Neue inverse Opal-Hydrogele als Plattform für die Detektion von Makromolekülen

  • In this thesis, a route to temperature-, pH-, solvent-, 1,2-diol-, and protein-responsive sensors made of biocompatible and low-fouling materials is established. These sensor devices are based on the sensitivemodulation of the visual band gap of a photonic crystal (PhC), which is induced by the selective binding of analytes, triggering a volume phase transition. The PhCs introduced by this work show a high sensitivity not only for small biomolecules, but also for large analytes, such as glycopolymers or proteins. This enables the PhC to act as a sensor that detects analytes without the need of complex equipment. Due to their periodical dielectric structure, PhCs prevent the propagation of specific wavelengths. A change of the periodicity parameters is thus indicated by a change in the reflected wavelengths. In the case explored, the PhC sensors are implemented as periodically structured responsive hydrogels in formof an inverse opal. The stimuli-sensitive inverse opal hydrogels (IOHs) were prepared using a sacrificial opalIn this thesis, a route to temperature-, pH-, solvent-, 1,2-diol-, and protein-responsive sensors made of biocompatible and low-fouling materials is established. These sensor devices are based on the sensitivemodulation of the visual band gap of a photonic crystal (PhC), which is induced by the selective binding of analytes, triggering a volume phase transition. The PhCs introduced by this work show a high sensitivity not only for small biomolecules, but also for large analytes, such as glycopolymers or proteins. This enables the PhC to act as a sensor that detects analytes without the need of complex equipment. Due to their periodical dielectric structure, PhCs prevent the propagation of specific wavelengths. A change of the periodicity parameters is thus indicated by a change in the reflected wavelengths. In the case explored, the PhC sensors are implemented as periodically structured responsive hydrogels in formof an inverse opal. The stimuli-sensitive inverse opal hydrogels (IOHs) were prepared using a sacrificial opal template of monodispersed silica particles. First, monodisperse silica particles were assembled with a hexagonally packed structure via vertical deposition onto glass slides. The obtained silica crystals, also named colloidal crystals (CCs), exhibit structural color. Subsequently, the CCs templates were embedded in polymer matrix with low-fouling properties. The polymer matrices were composed of oligo(ethylene glycol) methacrylate derivatives (OEGMAs) that render the hydrogels thermoresponsive. Finally, the silica particles were etched, to produce highly porous hydrogel replicas of the CC. Importantly, the inner structure and thus the ability for light diffraction of the IOHs formed was maintained. The IOH membrane was shown to have interconnected pores with a diameter as well as interconnections between the pores of several hundred nanometers. This enables not only the detection of small analytes, but also, the detection of even large analytes that can diffuse into the nanostructured IOH membrane. Various recognition unit – analyte model systems, such as benzoboroxole – 1,2-diols, biotin – avidin and mannose – concanavalin A, were studied by incorporating functional comonomers of benzoboroxole, biotin and mannose into the copolymers. The incorporated recognition units specifically bind to certain low and highmolar mass biomolecules, namely to certain saccharides, catechols, glycopolymers or proteins. Their specific binding strongly changes the overall hydrophilicity, thus modulating the swelling of the IOH matrices, and in consequence, drastically changes their internal periodicity. This swelling is amplified by the thermoresponsive properties of the polymer matrix. The shift of the interference band gap due to the specific molecular recognition is easily visible by the naked eye (up to 150 nm shifts). Moreover, preliminary trial were attempted to detect even larger entities. Therefore anti-bodies were immobilized on hydrogel platforms via polymer-analogous esterification. These platforms incorporate comonomers made of tri(ethylene glycol) methacrylate end-functionalized with a carboxylic acid. In these model systems, the bacteria analytes are too big to penetrate into the IOH membranes, but can only interact with their surfaces. The selected model bacteria, as Escherichia coli, show a specific affinity to anti-body-functionalized hydrogels. Surprisingly in the case functionalized IOHs, this study produced weak color shifts, possibly opening a path to detect directly living organism, which will need further investigations.show moreshow less
  • Periodisch strukturierte, funktionelle responsive Hydrogele wurden in Form von inversen Opalen (IOH) aufgebaut und als Basiselement für Temperatur-, pH-, lösungsmittel-, 1,2-diol- oder protein-sensitive Sensorsysteme entwickelt. Dazu wurden aus biokompatiblen Bausteinen funktionelle photonische Kristalle aufgebaut, deren optische Bandlücke durch selektive Bindung eines Analyten moduliert wird, indem dieser einen Volumen-Phasenübergang induziert.Mittels solcher responsiver photonische Kristalle ist es möglich, Analyte ohne aufwendige Geräte durch Farbänderung einfach zu detektieren. Die entwickelten Systeme zeigen nicht nur eine hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen Biomolekülen, sondern auch gegenüber größeren Analyten wie z.B. Glycopolymeren und Proteinen, was bisher nicht bekannt war. Die stimuli-sensitiven inversen Opal Hydrogele (IOHs) wurden in mehreren Stufen hergestellt. Als erstes wurden dafür kolloidale Kristalle mit hexagonal gepackten Strukturen aus monodispersen SiO2-Partikeln auf Glasträgern auf ebaut (“Opal”). Die OpalePeriodisch strukturierte, funktionelle responsive Hydrogele wurden in Form von inversen Opalen (IOH) aufgebaut und als Basiselement für Temperatur-, pH-, lösungsmittel-, 1,2-diol- oder protein-sensitive Sensorsysteme entwickelt. Dazu wurden aus biokompatiblen Bausteinen funktionelle photonische Kristalle aufgebaut, deren optische Bandlücke durch selektive Bindung eines Analyten moduliert wird, indem dieser einen Volumen-Phasenübergang induziert.Mittels solcher responsiver photonische Kristalle ist es möglich, Analyte ohne aufwendige Geräte durch Farbänderung einfach zu detektieren. Die entwickelten Systeme zeigen nicht nur eine hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen Biomolekülen, sondern auch gegenüber größeren Analyten wie z.B. Glycopolymeren und Proteinen, was bisher nicht bekannt war. Die stimuli-sensitiven inversen Opal Hydrogele (IOHs) wurden in mehreren Stufen hergestellt. Als erstes wurden dafür kolloidale Kristalle mit hexagonal gepackten Strukturen aus monodispersen SiO2-Partikeln auf Glasträgern auf ebaut (“Opal”). Die Opale mit charakteristischen Strukturfarben wurden anschließend in eine polymere Hydrogelmatrix eingebettet. Diese wurde aus Oligo(ethylenglycol)methacrylaten (OEGMAs) hergestellt, so dass die Hydrogele sowohl thermosensitives als auch “lowfouling” Verhalten zeigen. Im letzten Schritt wurden die SiO2-Partikel entfernt und so eine hochporöse Hydrogel-Replika der Opale erhalten unter Erhalt deren innerer Struktur und Strukturfarbe. Die miteinander verbunden Poren der IOHMembran besitzen einen Durchmesser von einigen hundert Nanometern. Dies ermöglichte nicht nur die Detektion von kleinen Analyten, sondern auch die Detektion von deutlich größeren, makromolekularen Analyten, die ebenfalls in die Nanostrukturen der IOH Membran diffundieren können. Modellsysteme bestanden immer aus einer Erkennungsgruppe und einem Analyten, beispielsweise aus Benzoboroxol – 1,2-Diol, Biotin – Avidin und Mannose – Lectin (Concanavalin A). Für dieseModellsysteme wurden OEGMAs mitMonomeren copolymerisiert, die mit Benzoboroxol, Biotin bzw.Mannose funktionalisiert waren. Die so im Polymer eingebauten Erkennungsgruppen binden spezifisch an bestimmte Biomoleküle unterschiedlicherMolmassen, wie z.B. niedermolekulare Saccharide oder Catechin, als auch hochmolekulare Glycopolymere oder Proteine. Der spezifische Bindungsvorgang moduliert die Gesamthydrophilie, so dass sich der Quellgrad der IOH-Matrix ändert. Dies wiederrumverändert die innere Periodizität und damit die Strukturfarbe. Dabei wird der Quelleffekt durch die Thermosensitivität der Hydrogele massiv verstärkt. Eine spezifischeMolekülanbindung lässt sich so optisch, z.T. sogar mit dem Auge, erkennen aufgrund der deutlichen Verschiebung der Strukturfarbe um bis zu 150 nm. Des Weiteren wurden auch erste Versuche zur Detektion von noch größeren Analyten unternommen. Dafür wurden Antiköper durch nachträgliche Modifizierung der Polymerseitenketten auf den Hydrogeloberflächen immobilisiert. Mit diesem Modellsystem konnten unterschiedliche Bakterienarten durch Antikörper spezifisch gebunden werden. Die verwendeten Bakterienarten sind zwar zu groß, um in die Membran des IOH Systems einzudringen, können jedoch mit der IOH-Oberfläche wechselwirken. Insbesondere dasModellsystem mit Escherichia coli zeigte eine starke, spezifische Affinität zu dem Antikörper-funktionalisierten IOH. Überraschenderweise zeigte sich bei den Versuchen in Gegenwart des Analyten eine kleine Farbänderung der funktionalisierten IOH. Damit eröffnet sich u.U. dieMöglichkeit, mit solchen responsiven photonischen Kristallen auch lebende Organismen spezifisch und einfach zu detektieren, was in weiterführenden Arbeiten zu klären sein wird.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jean-Philippe CouturierGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98412
Advisor:André Laschewsky
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/09/26
Release Date:2016/11/01
Tag:Hydrogel; inverse Opale; schaltbare Polymere
hydrogel; inverse opal; responsive polymer
Pagenumber:xiii, 132, XXXVIII
RVK - Regensburg Classification:VN 5070, VK 8007
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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