Συμπολυμερή κατά συστάδες βασισμένα σε υδροξυ-μεθακρυλικά μονομερή

Abstract

Polymer Science has evolved rapidly in the last 30 years due to the variety of applications that polymers find in energy storage, engineering and medicine. The special category of functional block copolymers has raised the interest of the scientific community since they present similar self-assembly abilities with phospholipids and low-molecular surfactants. The hydrophobic domains can act like nano-reservoirs for encapsulating lipophilic drugs, while the hydrophilic chains provide colloidal stabilization and can be complexed with inorganic species or biomacromolecules, creating hybrid or biohybrid nanostructures with extra functionality, biocompatibility and immune-system-avoidance properties. The current doctoral thesis deals with the design and development of novel functional block copolymers consisting of a hydrophilic, pH- and thermo-responsive block of poly(2- dimethylamino ethyl methacrylate) and one weakly hydrophobic, potentially thermoresponsive block of poly(hydroxy propyl methacrylate), in order to study their self- assembly properties into aqueous media. The block copolymer synthesis was mediated via Reversible Addition-Fragmentation Chain-Transfer (RAFT) polymerization, a technique that utilizes an organic chain-transfer agent which provides good molecular- weight control and narrow molecular-weight polydispersities. Additionally, a quaternization reaction of the PDMAEMA amino group leads to the formation of strong cationic polyelectrolytes. Molecular characterization of the block copolymers and their cationic analogs was1conducted utilizing SEC, H-NMR and ATR-FTIR, certifying the successful copolymersynthesis, with rather narrow polydispersities and molecular weights close to the expected ones. Aqueous solutions studies, utilizing DLS, ζ-potential and fluorescence spectroscopy using pyrene as the probe, showed interesting self-assembly properties, while the manipulation of certain physicochemical parameters, such as temperature, pH and solubilization protocol could control the morphology, structure and hydrophobicity of the nanosystem. The evaluation of the physicochemical characterization of PDMAEMΑ-b-PHPMA in aqueous solutions, and the cationic character of PDMAEMA block led to the design of polymeric complexes with inorganic nanoparticles, proteins and DNA, for the formation of hybrid and bio-hybrid nanosystems. Τhe successful complexation of one polymeric nanosystem with BSA and one with DNA led to the formation of bio-hybrid nanostructures with interesting self-assembly abilities, which depend on various parameters, such as themolecular weight of PDMAEMA, block copolymers/biomacromolecule ratio and copolymer solubilization protocol. The aforementioned studies depict the possible hydrogen bonding of the PHPMA hydroxyl groups with the amino groups of PDMAEMA block, or the hydroxyl groups of other PHPMA chains. This led to the design and successful development of novel star- like nanostructures with a crosslinked PHPMA core, for hydrophobic drug encapsulation and, poly(oligo ethyleneglycol methacrylate) arms, in order to provide the system with extended colloidal stability, biocompatibility and stealth properties. Aqueous studies on simple star-like block copolymers showed very promising characteristics for drug encapsulation, resulting in curcumin utilization for the successful development of star-like curcumin nanocarriers. Further physicochemical characterization utilizing DLS, ζ- potential, UV-Vis and ATR-FTIR spectroscopies showed the exceptional colloidal stability, along with monodisperse nanoparticles formation, making them very intriguing as potential hydroxyl-group based drug delivery nanocarriers. Lastly, along with the star-like block copolymers project, the design and successful development of novel comb/graft-like macromolecules was conducted. An esterification reaction took place between the hydroxyl groups of PHPMA and the carboxyl groups of CDTP Chain-Transfer Agent, followed by the copolymerization of PDMAEMA via RAFT polymerization. Additionally, the quaternization of PDMAEMA amino groups took place, turning it into a strong cationic polyelectrolyte. Molecular characterization was conducted using SEC, NMR and ATR-FTIR spectroscopy, followed by aqueous solution studies via DLS, ζ-potential and Fluorescence spectroscopy using pyrene. Results showed the successful esterification reaction and the final composition was close to the theoretical calculations, while self-assembly abilities were again depended on external parameters, such as solution temperature, pH and copolymer solubilization protocol.

Η ραγδαία ανάπτυξη της Επιστήμης των Πολυμερών τα τελευταία 30 χρόνια οφείλεται στην πληθώρα εφαρμογών που βρίσκουν τα πολυμερή σε τομείς όπως η αποθήκευση ενέργειας, η μηχανική και η ιατρική. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η ανάπτυξη λειτουργικών συμπολυμερών κατά συστάδες, καθώς παρουσιάζουν κοινές ιδιότητες αυτο-οργάνωσης με αυτές των φωσφολιπιδίων και των μικρού μοριακού βάρους επιφανειοδραστικών ενώσεων. Οι υδρόφοβες περιοχές τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως νανοαποθετήρια (αποθήκες) για τον εγκλωβισμό φαρμακευτικών ουσιών, ενώ τα υδρόφιλα τμήματά τους σταθεροποιούν το σύστημα μέσα στο υδατικό μέσο και ταυτόχρονα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σύμπλεξη με πρωτεΐνες ή DNA, δημιουργώντας βιο-υβριδικές νανοδομές, ή με ανόργανα νανοσωματίδια. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη καινοτόμων λειτουργικών συμπολυμερών κατά συστάδες αποτελούμενων από μια υδρόφιλη, pH- και θερμοαποκρινόμενη συστάδα πολυ(μεθακρυλικού εστέρα της διμεθυλαμινο αιθυλικής αλκοόλης) και μια ασθενώς υδρόφοβη και δυνητικά θερμοαποκρινόμενη συστάδα πολυ(μεθακρυλικού εστέρα της υδροξυπροπανόλης), προκειμένου να μελετηθούν οι ιδιότητες αυτο-οργάνωσής τους σε διαλύματα. Η σύνθεση των συμπολυμερών έγινε με την τεχνική πολυμερισμού RAFT. Η συγκεκριμένη τεχνική κάνει χρήση ενός οργανικού αντιδραστηρίου μεταφοράς αλυσίδας, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση του ελέγχου του πολυμερισμού, με αποτέλεσμα τη σύνθεση καλά καθορισμένων πολυμερών με σχετικά στενές πολυδιασπορές. Επιπλέον, ακολούθησε μια αντίδραση τεταρτοταγοποίησης των αμινομάδων της συστάδας PDMAEMA, μετατρέποντάς την σε ισχυρό κατιοντικό πολυηλεκτρολύτη. Ο μοριακός χαρακτηρισμός των συμπολυμερών, αλλά και των τεταρτοταγοποιημένων1αναλόγων τους, πραγματοποιήθηκε με τις τεχνικές SEC, H-NMR και ATR-FTIRπιστοποιώντας την επιτυχή σύνθεσή τους, με αποδόσεις, μοριακά βάρη και σύσταση πολύ κοντά στις θεωρητικές τιμές. Οι μελέτες των συμπολυμερών σε υδατικά διαλύματα με τις τεχνικές DLS, ζ-δυναμικού και φασματοσκοπίας φθορισμού με πυρένιο ως ιχνηθέτη έδειξαν ότι με την αλλαγή συγκεκριμένων φυσικοχημικών παραμέτρων, όπως η θερμοκρασία, το pH και το πρωτόκολλο διαλυτοποίησης, μπορεί να ελεγχθεί η μορφολογία, η δομή και η υδροφοβικότητα του συστήματος. Η αξιολόγηση του φυσικοχημικού χαρακτηρισμού των PDAMEMA-b-PHPMA σε υδατικά διαλύματα, αλλά και ο κατιοντικός χαρακτήρας της συστάδας του PDMAEMA οδήγησε στον σχεδιασμό συμπλόκων με βιομακρομόρια πρωτεΐνης και DNA για τη δημιουργία βιο-υβριδικών νανοσυστημάτων. Η επιτυχής σύμπλεξη με BSA, αλλά και με DNA, οδήγησε στη δημιουργία βιο-υβριδικών δομών με ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά αυτο-οργάνωσης, τα οποία εξαρτώνται από ποικίλους παράγοντες, όπως το μοριακό βάρος της κάθε συστάδας, η αναλογία του συμπολυμερούς με το αντίστοιχο βιομακρομόριο και το πρωτόκολλο διαλυτοποίησης. Από τις παραπάνω μελέτες προκύπτει ότι πιθανώς η συστάδα του PHPMA προτιμά να δημιουργεί δεσμούς υδρογόνου, είτε με τις αμινομάδες της συστάδας του PDMAEMA, είτε με τα υδροξύλια της ίδιας συστάδας. Αυτό οδήγησε στον σχεδιασμό και την επιτυχή ανάπτυξη καινοτόμων αστεροειδών συμπολυμερών με διασταυρωμένο πυρήνα PHPMA, με σκοπό τον εγκλωβισμό υδρόφοβων φαρμακευτικών ουσιών, και κλάδους POEGMA, οι οποίοι προσδίδουν στο σύστημα κολλοειδή σταθερότητα, βιοσυμβατότητα και ιδιότητες απόκρυψης από το ανοσοποιητικό σύστημα. Οι μελέτες των απλών αστεροειδών δομών σε υδατικά διαλύματα παρουσίασαν πολύ ελκυστικά χαρακτηριστικά για τον εγκλωβισμό φαρμακευτικών ουσιών, με αποτέλεσμα να ακολουθήσει ο επιτυχής εγκλωβισμός της κουρκουμίνης και ο περαιτέρω φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των διαλυμάτων με τεχνικές DLS, ζ-δυναμικού, UV-Vis, ATR-FTIR. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το σύστημα έχει εξαιρετική σταθερότητα, μονοδιάσπαρτα σωματίδια και στενές πολυδιασπορές μεγέθους, χαρακτηριστικά που τα κάνουν πολύ ελκυστικά ως δυνητικούς νανοφορείς φαρμάκων με υδροξυλομάδες. Παράλληλα με τις αστεροειδείς δομές, έγινε ο σχεδιασμός και η επιτυχής ανάπτυξη καινοτόμων διακλαδισμένων/εμβολιασμένων μακρομοριακών δομών τύπου «χτένας» (comb, graft) με την αντίδραση εστεροποίησης των υδροξυλομάδων του PHPMA και των καρβοξυλομάδων του αντιδραστηρίου μεταφοράς αλυσίδας CDTP και εν συνεχεία τον συμπολυμερισμό του PDMAEMA με την τεχνική πολυμερισμού RAFT. Συμπληρωματικά, έγινε και η σύνθεση των τεταρτοταγοποιημένων αναλόγων τους. Ο μοριακός χαρακτηρισμός με SEC, NMR και ATR-FTIR έδειξε την επιτυχή σύνθεση, ενώ ακολούθησαν μελέτες σε υδατικά διαλύματα, ο οποίες έδειξαν και πάλι την εξάρτηση των δομικών και φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του συστήματος από τις παραμέτρους της θερμοκρασίας, του pH και του πρωτόκολλου διαλυτοποίησης.