Stimulierter Abbau von Polymeren

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von wasserlöslichen, stabilen Polymeren mit einer definierten Struktur, die als Reaktion auf einen Stimulus zügig in kleine Moleküle abgebaut werden. Zu diesem Zweckwerden wir Polyphosphazene verwenden, derenPolymerrückgrateigentlich sehr hydrolyseempfindlich ist, das jedoch durch spezielle organische Seitengruppen vor einer hydrolytischen Spaltung geschützt werden kann. Durch eine sorgfältig abgestimmte Auswahl der Seitengruppen sollen stabile Polymere hergestellt werden, die hydrolysiert werden, sobald die schützenden Gruppen entfernt worden sind. Die lebende kationische Polymerisation ermöglicht die Herstellung amphiphiler bzw. wasserlöslicher Polymere, die auf geeignete Stimuli ansprechen können und gleichzeitig eine genau definierte Größe und Struktur und ein hohes Molekulargewicht aufweisen. Unterschiedliche Stimuli sollen auf ihr Potential untersucht werden, bei entsprechenden Polymeren einen möglichst weitgehenden Abbau zu verursachen: Einerseits sollen Polymere synthetisiert werden, die photochemisch abspaltbare organische Seitengruppen enthalten, also durch Licht als externen Stimulus zum Abbau stimuliert werden. Insbesondere sollen Materialien bereitgestellt werden, die auf Licht im nahen Infrarot-Bereich ansprechbar sind. Andererseits sollen Polymere synthetisiert werden, die auf Zell-interne Stimuli wie Enzyme oder Veränderung des Redoxpotentials ansprechen. Derartige Polymere wären vielversprechend für biomedizinische Anwendungen, z.B. im Bereich der kontrollierten Wirkstofffreisetzung. Daher werden mit den hergestellten Polymeren schließlich in-vitro Untersuchungen durchgeführt, um die Bioabbaubarkeit und Biokompatibiliät zu evaluieren.

In diesem Projekt haben wir eine Reihe von Materialien auf Polymerbasis entwickelt, die einen "Degradationsschalter" enthalten, dh Materialien, die eine stabile und definierte Struktur beibehalten, bis sie einem bestimmten Reiz ausgesetzt werden, wonach sie instabil werden und sich rasch zu kleinen Molekülen zersetzen. Drei Stimuli wurden ausgewählt und Polymere hergestellt, um auf diese zu reagieren. Erstens Polymere, die sich nur in der Anwesenheit eines bestimmten Enzyms zersetzen würden. Dies wurde erreicht, indem bestimmte Peptidsequenzen an die Polymere gebunden wurden, die von den jeweiligen Enzymen gespalten wurden. Diese Materialien sind für die Arzneimittelabgabe besonders vielversprechend, da sie in Gegenwart von Enzymen, die in bestimmten Körperzellen vorhanden sind, abgebaut werden können und somit möglicherweise jegliche Wirkstoffe freisetzen. Der zweite untersuchte Reiz war die Oxidation. Gestresstes und erkranktes Gewebe weist häufig eine hohe Konzentration an reaktiven Sauerstoffspezies auf, daher haben wir ein Polymer entwickelt, das sich in Gegenwart solcher Spezies zersetzt. Wir untersuchten diese Materialien für die Bildgebung von erkranktem Gewebe und entwickelten ein System, mit dem Goldnanopartikel, die einen Kontrast erzeugen, selektiv aus ihrer Formulierung freigesetzt werden, wenn sie einem höheren Anteil oxidativer Spezies ausgesetzt werden, um erkrankte Bereiche abzubilden vom Körper. Schließlich entwickelten wir ein lichtempfindliches Polymer. Während sich die meisten Polymermaterialien bei energiereicher UV-Bestrahlung zersetzen, war unser Ziel Materialien zu entwickeln, die bei Bestrahlung im sichtbaren und nahen Infrarotbereich zerfallen, so dass sie sicher in biologischem Gewebe abgebaut werden können, ohne diese Umgebung zu schädigen. Um dies zu erreichen, wurde eine Reihe von chemischen Methoden entwickelt, mit denen wir Materialien vorbereiten konnten, die unter bestimmten milden Lasern spezifisch gespalten werden können. Diese auf Polymeren basierenden Materialien können mit energiesparenden, schonenden Lichtquellen effektiv entfernt werden. Zukünftige Arbeiten werden darauf abzielen, die Abbauraten zu optimieren und diese auf reale Anwendungen anzuwenden.