Polysaccharide-based self-healing platform coatings possessing antifouling capabilities
Polymer Materials
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes konnten Cellulose- und Dextranderivate mit funktionellen Gruppen synthetisiert werden, die zur Vernetzung und zur Anbindung von Aminosäuren im wässrigen Reaktionsmedium geeignet sind. Obwohl Furanderivate mit verschiedener Reaktivität synthetisiert und auf Ihre Eignung für eine reversible Vernetzung ((retro)-Diels-Alder-Reaktion) mit Maleimiden untersucht wurden, konnte kein geeignetes System für selbstheilende Polysaccharidderivate gefunden werden. Der Schwerpunkt der Ergebnisse liegt vielmehr auf der Anbindung von Aminosäuren an reaktive Filme, um Oberflächen mit Antifoulingeigenschaften zu erhalten. Zum einen wurden Dextranfurfurylcarbamate synthetisiert, die mit Bismaleimid in Maleimidoderivate überführt werden konnten. Hierbei konnten selbst regioselektive Modifizierungen des Biopolymers Dextran erreicht werden, die für die Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sehr interessant sind. Darüber hinaus wurden Dextranmaleimidocarbonate unter Anwendung einer Schutzgruppenstrategie (Furan) synthetisiert. Die Dextranderivate wurden zu Dünnfilmen umgeformt und dienen als reaktive Oberflächen für die Thiol-En-Chemie. Bisher hat besonders dieser Teil des Projektes großes Interesse in der Fachwelt hervorgerufen. Die reaktiven Filme wurden zur Anbindung von Cystein im wässrigen Medium genutzt, um zwitterionische Oberflächen zu erhalten, die potentiell für biologische Anwendungen interessant sind. Proteinadsoptionsexperimente zeigten, dass die Cystein-haltigen Oberflächen erstaunlich viel BSA (Bovine serum albumin) adsorbieren und somit proteinresistente Filme erhalten werden. Die Schicht aus BSA kann die Adsoption weiterer Proteine blockieren und somit Antifoulingeffekte aufweisen. Im Rahmen des Projektes war es natürlich notwendig nach weiteren Anbindungsmöglichkeiten für andere Aminosäuren zu suchen. Es wurden Filme aus Cellulosederivaten erhalten, die reaktives 1H-Imidazol-1-carboxylat an der Oberfläche aufweisen und mit Aminogruppen umgesetzt werden können. Zunächst wurden Studien mit Tetraethylentriamin durchgeführt und es gelang die Menge des gebundenen Amins durch drei unabhängige Methoden zu quantifizieren. Erstmals wurde mittels Quartzkristallmikrowaage (QCM-D) der durchschnittliche Substitutionsgrad (DS) eines Polysaccharidderivates bestimmt und der Wert durch IR-Spektroskopie und XPS abgesichert. Allerdings waren diese Studien für die Anbindung von Aminosäuren für biologische Anwendungen noch ungeeignet, da das toxische Lösungsmittel Toluen als Reaktionsmedium eingesetzt wurde, worin Aminosäuren unlöslich sind. In weiterer Folge wurden etablierte Arbeitstechniken aus der Gruppe von Prof. Karin Stana Kleinschek genutzt. Cellulosedünnfilme, erhalten durch Spincoating von Trimethylsilylcellulose und anschließender Regeneration in das Biopolymer, wurden mit N,N‘-Carbonyldiimidazol (CDI) im ungiftigen Lösungsmittel DMSO aktiviert um 1H-Imidazol-1-carboxylat an der Oberfläche zu erhalten. Die weitere Umsetzung mit L-Lysin in Wasser führte zu Dünnfilmen aus Celluloselysincarbamat. Proteinadsorptionsexperimente mittels QCM-D zeigten, dass an diesen neuen Filme weniger BSA adsorbiert wird als an reinen Cellulosefilmen. Im Vergleich zu anderen zwitterionischen Polysaccharidoberflächen oder lysinhaltigen Oberflächen liegen die Werte bis zu einer Größenordnung niedriger (50 bis 100 ngcm-2 bei pH 7.4). Die Adsorption von Fibrinogen ist im Vergleich zum reinen Cellulosefilm sogar auf 16 % reduziert (1.0 mgm-2). Daher stellen die Filme aus Celluloselysincarbamat bei physiologischem pH-Wert vielversprechende Kandidaten für hämokompatible Antifoulingoberflächen dar, die für blutführende Biomaterialien interessant sind.
Publications
- (2016) „Reactive cellulose-based thin films - a concept for multifunctional polysaccharide surfaces” RSC Advances, 6, 72378 - 72385
T. Elschner, D. Reishofer, R. Kargl, T. Grießer, T. Heinze, K. Stana-Kleinschek
(See online at https://doi.org/10.1039/c6ra14227c) - (2017) „Modification of cellulose thin films with lysine moieties - a promising approach to achieve antifouling performance” Cellulose
T. Elschner, M. Bračič, T. Mohan, R. Kargl, K. Stana-Kleinschek
(See online at https://doi.org/10.1007/s10570-017-1538-9) - (2017) „Reactive maleimido dextran thin films for cysteine-containing surfaces adsorbing BSA” Macromolecular Chemistry and Physics, 218, 1600535
T. Elschner, F. Obst, T. Heinze, R. Kargl, K. Stana-Kleinschek
(See online at https://doi.org/10.1002/macp.201600535) - (2017) „Synthesis and film formation of furfuryl and maleimido carbonic acid derivatives of dextran” Carbohydrate Polymers, 161, 1 - 9
T. Elschner, F. Obst, K. Stana-Kleinschek, R. Kargl, T. Heinze
(See online at https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.12.038)
