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Poly(lactide)-based amphiphilic block copolymers

Polylactid-basierte amphiphile Blockcopolymere

  • Due to its bioavailability and (bio)degradability, poly(lactide) (PLA) is an interesting polymer that is already being used as packaging material, surgical seam, and drug delivery system. Dependent on various parameters such as polymer composition, amphiphilicity, sample preparation, and the enantiomeric purity of lactide, PLA in an amphiphilic block copolymer can affect the self-assembly behavior dramatically. However, sizes and shapes of aggregates have a critical effect on the interactions between biological and drug delivery systems, where the general understanding of these polymers and their ability to influence self-assembly is of significant interest in science. The first part of this thesis describes the synthesis and study of a series of linear poly(L-lactide) (PLLA) and poly(D-lactide) (PDLA)-based amphiphilic block copolymers with varying PLA (hydrophobic), and poly(ethylene glycol) (PEG) (hydrophilic) chain lengths and different block copolymer sequences (PEG-PLA and PLA-PEG). The PEG-PLA block copolymers were synthesizedDue to its bioavailability and (bio)degradability, poly(lactide) (PLA) is an interesting polymer that is already being used as packaging material, surgical seam, and drug delivery system. Dependent on various parameters such as polymer composition, amphiphilicity, sample preparation, and the enantiomeric purity of lactide, PLA in an amphiphilic block copolymer can affect the self-assembly behavior dramatically. However, sizes and shapes of aggregates have a critical effect on the interactions between biological and drug delivery systems, where the general understanding of these polymers and their ability to influence self-assembly is of significant interest in science. The first part of this thesis describes the synthesis and study of a series of linear poly(L-lactide) (PLLA) and poly(D-lactide) (PDLA)-based amphiphilic block copolymers with varying PLA (hydrophobic), and poly(ethylene glycol) (PEG) (hydrophilic) chain lengths and different block copolymer sequences (PEG-PLA and PLA-PEG). The PEG-PLA block copolymers were synthesized by ring-opening polymerization of lactide initiated by a PEG-OH macroinitiator. In contrast, the PLA-PEG block copolymers were produced by a Steglich-esterification of modified PLA with PEG-OH. The aqueous self-assembly at room temperature of the enantiomerically pure PLLA-based block copolymers and their stereocomplexed mixtures was investigated by dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM), wide-angle X-ray diffraction (WAXD), and differential scanning calorimetry (DSC). Spherical micelles and worm-like structures were produced, whereby the obtained self-assembled morphologies were affected by the lactide weight fraction in the block copolymer and self-assembly time. The formation of worm-like structures increases with decreasing PLA-chain length and arises from spherical micelles, which become colloidally unstable and undergo an epitaxial fusion with other micelles. As shown by DSC experiments, the crystallinity of the corresponding PLA blocks increases within the self-assembly time. However, the stereocomplexed self-assembled structures behave differently from the parent polymers and result in irregular-shaped clusters of spherical micelles. Additionally, time-dependent self-assembly experiments showed a transformation, from already self-assembled morphologies of different shapes to more compact micelles upon stereocomplexation. In the second part of this thesis, with the objective to influence the self-assembly of PLA-based block copolymers and its stereocomplexes, poly(methyl phosphonate) (PMeP) and poly(isopropyl phosphonate) (PiPrP) were produced by ring-opening polymerization to implement an alternative to the hydrophilic block PEG. Although, the 1,8 diazabicyclo[5.4.0]unde 7 ene (DBU) or 1,5,7 triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene (TBD) mediated synthesis of the corresponding poly(alkyl phosphonate)s was successful, however, not so the polymerization of copolymers with PLA-based precursors (PLA-homo polymers, and PEG-PLA block copolymers). Transesterification, obtained by 1H-NMR spectroscopy, between the poly(phosphonate)- and PLA block caused a high-field shifted peak split of the methine proton in the PLA polymer chain, with split intensities depending on the used catalyst (DBU for PMeP, and TBD for PiPrP polymerization). An additional prepared block copolymer PiPrP-PLLA that wasn’t affected in its polymer sequence was finally used for self-assembly experiments with PLA-PEG and PEG-PLA mixing. This work provides a comprehensive study of the self-assembly behavior of PLA-based block copolymers influenced by various parameters such as polymer block lengths, self-assembly time, and stereocomplexation of block copolymer mixtures.show moreshow less
  • Aufgrund seiner Bioverfügbarkeit und (biologischen) Abbaubarkeit stellt Polylactid (PLA) ein interessantes Polymer dar, welches bereits in Verpackungsmaterialien, chirurgische Fäden und in selbst organisierten Wirkstofftransportsystemen eingesetzt wird. Als ein Teil von amphiphilen Blockcopolymeren kann PLA die molekulare Selbstorganisation in wässrigen Lösungen wesentlich beeinflussen. Die gebildeten Strukturen sind dabei essenziell von Faktoren wie der Blockcopolymer Zusammensetzung, Amphiphilie, Proben Vorbereitung und der Enantiomerenreinheit des Monomers abhängig. Die Kenntnis über die beschriebenen Faktoren und das allgemeine Verständnis für die dazugehörigen Polymere sowie die Möglichkeit ihre Selbstorganisation zu beeinflussen, ist von entscheidender Bedeutung in biomedizinischen Anwendungen. Unterschiedliche Größen oder Formen der selbst organisierten Wirkstoffträgern haben einen erheblichen Effekt auf die Wechselwirkung mit dem entsprechenden biologischen System und somit einen essenziellen Einfluss auf den Ausgang derAufgrund seiner Bioverfügbarkeit und (biologischen) Abbaubarkeit stellt Polylactid (PLA) ein interessantes Polymer dar, welches bereits in Verpackungsmaterialien, chirurgische Fäden und in selbst organisierten Wirkstofftransportsystemen eingesetzt wird. Als ein Teil von amphiphilen Blockcopolymeren kann PLA die molekulare Selbstorganisation in wässrigen Lösungen wesentlich beeinflussen. Die gebildeten Strukturen sind dabei essenziell von Faktoren wie der Blockcopolymer Zusammensetzung, Amphiphilie, Proben Vorbereitung und der Enantiomerenreinheit des Monomers abhängig. Die Kenntnis über die beschriebenen Faktoren und das allgemeine Verständnis für die dazugehörigen Polymere sowie die Möglichkeit ihre Selbstorganisation zu beeinflussen, ist von entscheidender Bedeutung in biomedizinischen Anwendungen. Unterschiedliche Größen oder Formen der selbst organisierten Wirkstoffträgern haben einen erheblichen Effekt auf die Wechselwirkung mit dem entsprechenden biologischen System und somit einen essenziellen Einfluss auf den Ausgang der medikamentösen Therapie. Der erste Teil dieser Doktorarbeit beschreibt die Synthese und Untersuchung einer Serie von Poly(L-Lactid) (PLLA) und Poly(D-Lactid) (PDLA)-basierten amphiphilen Blockcopolymeren mit variierenden PLA (hydrophob) und Polyethylenglycol (PEG) (hydrophil) Kettenlägen, sowie unterschiedlichen Polymersequenzen (PEG-PLA und PLA-PEG). Die genannten PEG-PLA Blockcopolymere wurden mittels organokatalysierter ringöffnender Polymerisation (ROP) hergestellt, wobei das entsprechende PEG-OH als Makroinitiator diente. Im Gegensatz dazu mussten die entsprechenden PLA-PEG Blockcopolymere mittels Steglich Veresterung von modifizierten PLA mit PEG-OH hergestellt werden. Die Selbstorganisation der PLLA-basierten Blockcopolymeren und deren stereokomplexierten Mischungen in wässriger Lösung erfolgte unter Raumtemperatur und wurde mittels Dynamischer Lichtstreuung (DLS), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Röntgenstrukturanalyse und Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) untersucht. Dabei wurden kugel- und wurmförmige Strukturen beobachtet, wobei die gebildeten Strukturen vom Lactid Gewichtsanteil im Polymer, sowie der Selbstorganisationszeit abhängig waren. Mit andauernder Selbstorganisation und zunehmender Kristallinität wurden die zuerst gebildeten kugelförmigen Strukturen kolloidal unstabil und es erfolgte ein epitaktisches Wachstum zu wurmförmigen Strukturen in Abhängigkeit der Lactid Kettenlänge. Die stereokomplexierten Blockcopolymer Mischungen hingegen bildeten, unabhängig von der Copolymersequenz der entsprechenden Polymer Partner, hauptsächlich unregelmäßige Ansammlungen kugelförmiger Strukturen welche den Eindruck einer Perlenkette erweckten. Mit dem Einsetzen der Stereokomplexierung zeigten zeitlich aufgelöste Selbstorganisationsexperimente eine Transformation von bereits gebildeten Strukturen verschiedenster Formen und Größen (Polymer abhängig) zu kompakten Mizellen. Im zweiten Teil dieser Doktorarbeit wurden, mit dem Ziel die Selbstorganisation von PLA-basierten Blockcopolymeren und deren Stereokomplexmischung vermehrt zu beeinflussen, zwei alternative Polymere zu PEG untersucht. Ähnlich wie PLA, konnten mittels organokatalysierter ROP Polymethylphosphonat (PMeP) und Polyisopropylphosphonat (PiPrP) erfolgreich hergestellt werden. Die Blockcopolymer Synthese mit PLA-basierten Polymervorgängern erwies sich jedoch als schwierig. Aufgrund einer Protonenpeakspaltung der Methingruppe in der PLA-Wiederholeinheit konnten mittels 1H-NMR Spektroskopie Umersterungsprozesse zwischen dem Polyalkylphosphonat- und PLA block nachgewiesen werden, welche in Abhängigkeit des verwendeten Katalysators (DBU oder TBD) unterschiedlich stark ausfielen. Das ebenfalls hergestellte PiPrP-PLLA Blockcopolymer wies keine Unregelmäßigkeiten in der Polymersequenz auf und wurde anschließend für Selbstorganisationsexperimente mit PLA-PEG und PEG-PLA genutzt. Diese Arbeit liefert eine umfangreiche Studie zur Selbstorganisation PLA-basierter Blockcopolymere und untersucht verschiedenste Einflussparameter wie Blocklängen, Selbstorganisationszeit und Stereokomplexierung in Polymermischungen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sebastian NoackORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436168
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-43616
Subtitle (English):self-assembly and stereocomplexation in aqueous media
Subtitle (German):Selbstorganisation und Stereokomplexierung in wässrigem Medium
Advisor:Helmut Schlaad
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/08/20
Release Date:2019/10/15
Tag:Block Copolymer; Polylactid; Polymer; Selbstorganisation; Stereokomplexierung
block copolymer; polylactide; polymer; self-assembly; stereocomplexation
Pagenumber:xvii, 148
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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