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This study reports on the investigation of a thermoresponsive polymer as a thin film on electrodes and the influence of coupling a peptide and an antibody to the film. The utilized polymer from the class of poly(oligoethylene glycol)-methacrylate polymers (poly(OEGMA)) with carboxy functions containing side chains was synthesized and properly characterized in aqueous solutions. The dependence of the cloud point on the pH of the surrounding media is discussed. The responsive polymer was immobilized on gold electrodes as shown by electrochemical, quartz crystal microbalance (QCM), and atomic force microscopy (AFM) techniques. The temperature dependent behavior of the polymer covalently grafted to gold substrates is investigated using cyclic voltammetry (CV) in ferro-/ferricyanide solution. Significant changes in the slope of the temperature-dependence of the voltammetric peak current and the peak separation values clearly indicate the thermally induced conformational change on the surface. Finally, a biorecognition reaction between a short FLAG peptide (N-Asp-Tyr-Lys-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys-C) covalently immobilized on the polymer interface and the corresponding IgG antibody was performed. The study shows that the responsiveness of the electrode is retained after peptide coupling and antibody binding, although the response is diminished.
Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und der Charakterisierung von thermoresponsiven Polymeren und ihrer Immobilisierung auf festen Oberflächen als nanoskalige dünne Schichten. Dabei wurden thermoresponsive Polymere vom Typ der unteren kritischen Entmischungstemperatur (engl.: lower critical solution temperature, LCST) verwendet. Sie sind bei niedrigeren Temperaturen im Lösungsmittel gut und nach Erwärmen oberhalb einer bestimmten kritischen Temperatur nicht mehr löslich; d. h. sie weisen bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenübergang auf. Als Basismaterial wurden verschiedene thermoresponsive und biokompatible Polymere basierend auf Diethylenglykolmethylethermethacrylat (MEO2MA) und Oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat (OEGMA475, Mn = 475 g/ mol) über frei radikalische Copolymerisation synthetisiert. Der thermoresponsive Phasenübergang der Copolymere wurde in wässriger Lösung und in gequollenen vernetzten dünnen Schichten beobachtet. Außerdem wurde untersucht, inwiefern eine selektive Proteinbindung an geeignete funktionalisierte Copolymere die Phasenübergangstemperatur beeinflusst. Die thermoresponsiven Copolymere wurden über photovernetzbare Gruppen auf festen Oberflächen immobilisiert. Die nötigen lichtempfindlichen Vernetzereinheiten wurden mittels des polymerisierbaren Benzophenonderivates 2 (4 Benzoylphenoxy)ethylmethacrylat (BPEM) in das Copolymer integriert. Dünne Filme der Copolymere mit ca. 100 nm Schichtdicke wurden über Rotationsbeschichtung auf Siliziumwafer aufgeschleudert und anschließend durch Bestrahlung mit UV Licht vernetzt und auf der Oberfläche immobilisiert. Die Filme sind stabiler je größer der Vernetzeranteil und je größer die Molmasse der Copolymere ist. Bei einem Waschprozess nach der Vernetzung wird beispielsweise aus einem Film mit moderater Molmasse und geringem Vernetzeranteil mehr unvernetztes Copolymer ausgewaschen als bei einem höhermolekularen Copolymer mit hohem Vernetzeranteil. Die Quellbarkeit der Polymerschichten wurde mit Ellipsometrie untersucht. Sie ist größer je geringer der Vernetzeranteil in den Copolymeren ist. Schichten aus thermoresponsiven OEG Copolymeren zeigen einen Volumenphasenübergang vom Typ der LCST. Der thermoresponsive Kollaps der Schichten ist komplett reversibel, die Kollapstemperatur kann über die Zusammensetzung der Copolymere eingestellt werden. Für einen Vergleich dieser Eigenschaften mit dem gut charakterisierten und derzeit wohl am häufigsten untersuchten thermoresponsiven Polymer Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) wurden zusätzlich photovernetzte Schichten aus PNIPAM hergestellt und ebenfalls ellipsometrisch vermessen. Im Vergleich zu PNIPAM verläuft der Phasenübergang der Schichten aus den Copolymeren mit Oligo(ethylenglykol)-seitenketten (OEG Copolymere) über einen größeren Temperaturbereich. Mit Licht einer Wellenlänge > 300 nm wurden die photosensitiven Benzophenongruppen selektiv angeregt. Bei der Verwendung kleinerer Wellenlängen vernetzten die Copolymerschichten auch ohne die Anwesenheit der lichtempfindlichen Benzophenongruppen. Dieser Effekt ließ sich zur kontrollierten Immobilisierung und Vernetzung der OEG Copolymere einsetzen. Als weitere Methode zur Immobilisierung der Copolymere wurde die Anbindung über Amidbindungen untersucht. Dazu wurden OEG Copolymere mit dem carboxylgruppenhaltigen 2 Succinyloxyethylmethacrylat (MES) auf mit 3 Aminopropyldimethylethoxysilan (APDMSi) silanisierte Siliziumwafer rotationsbeschichtet, und mit dem oligomeren α, ω Diamin Jeffamin® ED 900 vernetzt. Die Vernetzungsreaktion erfolgte ohne weitere Zusätze durch Erhitzen der Proben. Die Hydrogelschichten waren anschließend stabil und zeigten neben thermoresponsivem auch pH responsives Verhalten. Um zu untersuchen, ob die Phasenübergangstemperatur durch eine Proteinbindung beeinflusst werden kann, wurde ein polymerisierbares Biotinderivat 2 Biotinyl-aminoethylmethacrylat (BAEMA) in das thermoresponsive Copolymer eingebaut. Der Einfluss des biotinbindenen Proteins Avidin auf das thermoresponsive Verhalten des Copolymers in Lösung wurde untersucht. Die spezifische Bindung von Avidin an das biotinylierte Copolymer verschob die Übergangstemperatur deutlich zu höheren Temperaturen. Kontrollversuche zeigten, dass dieses Verhalten auf eine selektive Proteinbindung zurückzuführen ist. Thermoresponsive OEG Copolymere mit photovernetzbaren Gruppen aus BPEM und Biotingruppen aus BAEMA wurden über Rotationsbeschichtung auf Gold- und auf Siliziumoberflächen aufgetragen und durch UV Strahlung vernetzt. Die spezifische Bindung von Avidin an die Copolymerschicht wurde mit Oberflächenplasmonenresonanz und Ellipsometrie untersucht. Die Bindungskapazität der Schichten war umso größer, je kleiner der Vernetzeranteil, d. h. je größer die Maschenweite des Netzwerkes war. Die Quellbarkeit der Schichten wurde durch die Avidinbindung erhöht. Bei hochgequollenen Systemen verursachte eine Mehrfachbindung des tetravalenten Avidins allerdings eine zusätzliche Quervernetzung des Polymernetzwerkes. Dieser Effekt wirkt der erhöhten Quellbarkeit durch die Avidinbindung entgegen und lässt die Polymernetzwerke schrumpfen.
Solid surfaces are modified using photo-crosslinkable copolymers based on oligo(ethylene glycol) methacrylate (OEGMA) bearing 2-(4-benzoylphenoxy) ethyl methacrylate (BPEM) as a photosensitive crosslinking unit. Thin films of about 100 nm are formed by spin-coating these a priori highly biocompatible copolymers onto silicon substrates. Subsequent UV-irradiation assures immobilization and crosslinking of the hydrogel films. Their stability is controlled by the number of crosslinker units per chain and the molar mass of the copolymers. The swelling of the hydrogel layers, as investigated by ellipsometry, can be tuned by the crosslinker content in the copolymer. If films are built from the ternary copolymers of OEGMA, BPEM and 2-(2-methoxyethoxy) ethyl methacrylate (MEO(2)MA), the hydrogel films exhibit a swelling/deswelling transition of the lower critical solution temperature (LCST) type. The observed thermally induced hydrogel collapse is fully reversible and the onset temperature of the transition can be tuned at will by the copolymer composition. Different from analogously prepared thermo-responsive hydrogel films of photocrosslinked poly(N-isopropylacrylamide), the swelling-deswelling transition occurs more gradually, but shows no hysteresis.
Radical addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization of ferrocenyl (meth)acrylates
(2012)
We report on the controlled free radical homopolymerization of 1-ferrocenylethyl acrylate as well as of three new ferrocene bearing monomers, namely 4-ferrocenylbutyl acrylate, 2-ferrocenylamido-2-methylpropyl acrylate, and 4-ferrocenylbutyl methacrylate, by the RAFT technique. For comparison, the latter monomer was polymerized using ATRP, too. The ferrocene containing monomers were found to be less reactive than their analogues free of ferrocene. The reasons for the low polymerizability are not entirely clear. As the addition of free ferrocene to the reaction mixture did not notably affect the polymerizations, sterical hindrance by the bulky ferrocene moiety fixed on the monomers seems to be the most probable explanation. Molar masses found for 1-ferrocenylethyl acrylate did not exceed 10,000 g mol(-1), while for 4-ferrocenylbutyl (meth) acrylate molar masses of 15,000 g mol(-1) could be obtained. With PDIs as low as 1.3 in RAFT polymerization of the monomers, good control over the polymerization was achieved.
This study introduces a thermally responsive, polymer-based electrode system. The key component is a surface-attached, temperature-responsive poly(oligoethylene glycol) methacrylate (poly(OEGMA)) type polymer bearing photoreactive benzophenone and carboxy groups containing side chains. The responsive behavior of the polymer in aqueous media has been investigated by turbidimetry measurements. Polymer films are formed on gold substrates by means of the photoreactive 2(dicyclohexylphosphino)benzophenone (DPBP) through photocrosslinking. The electrochemical behavior of the resulting polymer-substrate interface has been investigated in buffered [Fe(CN)6](3-)/[Fe (CN)6](4-)solutions at room temperature and under temperature variation by cyclic voltammetry (CV). The CV experiments show that with increasing temperature structural changes of the polymer layer occur, which alter the output of the electrochemical measurement. Repeated heating/cooling cycles analyzed by CV measurements and pH changes analyzed by quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) reveal the reversible nature of the restructuring process. The immobilized films are further modified by covalent coupling of two small biomolecules - a hydrophobic peptide and a more hydrophilic one. These attached components influence the hydrophobicity of the layer in a different way the resulting change of the temperature-caused behavior has been studied by CV indicating a different state of the polymer after coupling of the hydrophobic peptide.
A thermosensitive statistical copolymer based on oligo(ethylene glycol) methacrylates incorporating biotin was synthesized by free radical copolymerisation. The influence of added avidin on its thermoresponsive behaviour was investigated. The specific binding of avidin to the biotinylated copolymers provoked a marked increase of the lower critical solution temperature.