On demand degradable polymer systems
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war ursprünglich der von außen induzierte Abbau einer Polymermatrix. Dazu sollte eine Lipase, die den Abbau hydrophober Polyester wie Poly(ε-caprolacton) (PCL) durch enzymatische Hydrolyse der Esterbindungen katalysiert, in Ultraschall-sensitive Partikel eingebettet werden. Durch Ultraschallbehandlung soll dann die Lipase freigesetzt werden und ein Abbau der Matrix beobachtet werden. Auf Grundlage der Angaben in der Literatur zu Ultraschall-sensitiven Matrices sowie der beschriebenen Einbettung von Enzymen in diese Materialien wurden gequollene Mikrogele auf Basis von N-Isopropylacrylamid (NIPAM), N-Vinylimidazol (VIm) und N,N‘- methylenbisacrylamid (BIS) ausgewählt, und es wurde nachgewiesen, dass diese Mikrogele durch Behandlung mit Ultraschall fragmentiert werden können. Diese Mikrogele zeigten aufgrund des LCST (lower critical solution temperature)-Übergangs der N-Isopropylacrylamid -Domänen ein Temperatur-abhängiges Quellverhalten. Bei ca. 39 °C (DSC) kam es zu einer Volumenkontraktion der Mikrogele, die auf molekularer Ebene auf einem hydrophoben Kollaps der NIPAM-Domänen beruhen. Interessanterweise trat die Ultraschallsensitivität der Mikrogele nur unterhalb dieses thermischen Übergangs auf. Dieses Phänomen ist u.E. bisher nicht beschrieben und ermöglicht die Entwicklung von Materialien mit bedingter Stimulisensitivität. Es war möglich, die Synthese der Mikropartikel in Anwesenheit der rhyzopus oryzae Lipase (ROL) durchzuführen und dabei mit dem Enzym zu beladen. Auch die beladenen Mikrogele zeigten die oben beschriebene Temperatur-bedingte Sensitivität gegenüber Ultraschallbehandlung. Die beladenen Mikrogele zeigten einen deutlichen Burst Release. Beladene Partikel induzierten einen Abbau eines PCL-Films, jedoch war der beobachtete Abbau deutlich langsamer als der enzymatische Abbau mittels ROL in Lösung. Darüber hinaus konnte keine erhöhte Freisetzung der ROL nach Fragmentierung der Mikrogele beobachtet werden. Dies spricht dafür, dass die ROL sich vor allem auf der Oberfläche der Mikrogele befand und kaum in die Matrix eingelagert wurde. Die Beobachtung, dass die Mikrogelgröße der beladenen Spezies rund dreimal größer war als die unbeladenen Spezies unterstützt diesen Schluss. Ein möglicher Grund könnte die elektrostatische Abstoßung der VIm-Domänen und der ROL sein. Die Einbettung von ROL in Copolymere aus NIPAM, Acrylsäure und BIS, die eine Anziehung von Mikrogelmatrix und ROL zum Ziel hatte, führt tatsächlich zu einem rund 10x kleineren Burst Release; leider sind diese Mikropartikel nicht Ultraschallsensitiv. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen konnte daher kein Abbau von PCL-Filmen nach äußerer Induktion erreicht werden. Das Konzept scheint jedoch trotzdem grundsätzlich valide zu sein, da Ultraschall-sensitive Mikrogele mit einem Enzym beladen werden konnte. In der Zukunft werden die Struktur-Ultraschall-Sensitivitäts-Beziehungen weiter untersucht werden um durch systematische Variation von Eigenschaften der Mikrogele in Kombination mit einer geeigneten Lipase das angestrebte Ziel zu erreichen.
