ph-αποκρινόμενα συμπολυμερή διαφορετικών αρχιτεκτονικών βασισμένα στον μεθακρυλικό 2-(δι-ισοπροπυλάμινο αιθυλεστέρα)

Abstract

In recent years, polymer science has been focusing on materials that respond to external stimuli, including pH, temperature, and ionic strength, giving rise to polymeric assemblies such as spherical and cylindrical micelles, as well as other intriguing morphologies. The interest in these polymers has grown exponentially due to their potential applications in industries like pharmaceuticals, cosmetics, and water purification. In the field of biomedicine, stimuli-responsive polymers refer to polymeric materials that undergo significant and immediate physical or chemical changes in response to small external variations in environmental conditions. These polymer systems recognize a stimulus as a signal, assess the magnitude of the signal, and promptly alter their chain conformation in direct response. The present doctoral thesis primarily addresses the synthesis of amphiphilic block copolymers and amphiphilic randomly hyperbranched copolymers with varying ratios of hydrophobic and hydrophilic segments. Subsequently, their utility in the development of innovative polymeric drug and gene nanocarriers is explored. Specifically, three amphiphilic double-responsive PDEGMA-b-PDIPAEMA block copolymers were synthesized using RAFT polymerization, along with three amphiphilic double-responsive H-P(OEGMA-co-DIPAEMA) random hyperbranched copolymers and three H-P(DEGMAco-DIPAEMA) random hyperbranched copolymers. The amphiphilic PDEGMA-bPDIPAEMA copolymers were studied in aqueous solutions to investigate their physicochemical properties under the influence of pH, temperature, and ionic strength. Similarly, the amphiphilic double-responsive H-P(OEGMA-co-DIPAEMA) random hyperbranched copolymers were equally studied in aqueous solutions, considering various physicochemical factors such as pH, temperature, and ionic strength. These polymers were subsequently utilized as polymeric nanocarriers for encapsulating the hydrophobic drug curcumin (CUR) within the hydrophobic core of DIPAEMA. In addition, the encapsulation of hydrophobic magnetic nanoparticles (CoFe2O4) and curcumin simultaneously in the hyperbranched copolymers was carried out. Furthermore, in order to investigate the use of the H-P(OEGMA-co-DIPAEMA) copolymers as carriers for gene therapy, the complexation of these copolymers with DNA molecules was studied. The same experimental pattern was followed for the copolymer system P(DEGMA-coDIPAEMA). Specifically, its self-assembly in aqueous solutions was studied by varying solution pH, temperature, and ionic strength. Additionally, it was employed as a polymeric nanocarrier for encapsulating the hydrophobic drug indomethacin (IND) within the hydrophobic DIPAEMA core. The molecular characterization of PDEGMA-b-PDIPAEMA, H-P(OEGMA-coDIPAEMA), and HP(DEGMA-co-PDIPAEMA) copolymers was achieved through SEC and 1H-NMR, confirming the successful and controlled polymerization process. The physicochemical properties of the copolymers and polymeric nanocarriers in aqueous solutions were investigated using techniques such as DLS, SLS, ELS, UV-Vis, FS, and Cryo-TEM. The results from the physicochemical characterization of PDEGMA-bPIDIPAEMA provided valuable new insights into the behavior and design guidelines for constructing "responsive" polymeric nanostructures that respond to stimuli and have potential applications in the biomedical field. The physicochemical characteristics of the copolymer/drug solution system demonstrated the presence of CUR and IND within the nanoscale structures of H-P(OEGMA-co-DIPAEMA) and H-P(DEGMA-co-DIPAEMA),respectively. Additionally, the successful complexation of DNA with H-P(OEGMA-coDIPAEMA copolymers was confirmed and investigated. Furthermore, studies on the interaction of FBS with the copolymers and the copolymer/drug solution systems indicated the stability of the copolymer nanocarriers and polymeric nanocarriers in a simulated biological environment. Magnetic measurements showed that the hybrid nanosystems of three components, copolymer/drug/magnetic nanoparticles (MNPs),retain their magnetic properties derived from the MNPs after encapsulating CUR, leading to magnetically active nanocarriers with encapsulated drug. Finally, the H-P(OEGMA-coDIPAEMA) hyperbranched copolymers were evaluated for cytotoxicity through in vitro experiments using a range of cancer cells (HEK-293).

Τα τελευταία χρόνια η επιστήμη των πολυμερών στρέφεται σε υλικά τα οποία παρουσιάζουν την ικανότητα να αποκρίνονται σε εξωτερικά ερεθίσματα (μεταξύ των οποίων το pΗ, η θερμοκρασία και η ιοντική ισχύς) δημιουργώντας πολυμοριακά συσσωματώματα, όπως σφαιρικά και κυλινδρικά μικκύλια καθώς και άλλες ενδιαφέρουσες μορφολογίες. Το ενδιαφέρον για αυτά τα πολυμερή έχει αυξηθεί εκθετικά λόγω των δυνητικών εφαρμογών στη βιομηχανία των φαρμάκων, των χρωμάτων, των καλλυντικών, αλλά και του καθαρισμού του νερού. Στο πεδίο της βιοϊατρικής ως αποκρίσιμα σε εξωτερικά ερεθίσματα πολυμερή ορίζονται τα πολυμερή που υφίστανται σχετικά μεγάλες και άμεσες φυσικές ή χημικές μεταβολές αποκρινόμενα σε μικρές εξωτερικές αλλαγές στις συνθήκες περιβάλλοντος. Αυτά τα συστήματα αναγνωρίζουν ένα ερέθισμα ως σήμα, κρίνουν το μέγεθος του σήματος και μεταβάλουν τη διαμόρφωση της αλυσίδας με άμεση απόκριση. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται αρχικά τη σύνθεση αμφίφιλων κατά συστάδες συμπολυμερών καθώς και αμφίφιλων υπερδιακλαδισμένων συμπολυμερών με τυχαία κατανομή των μονομερικών μονάδων, με διαφορετική αναλογία ως προς το υδρόφοβο και το υδρόφιλο τμήμα και εν συνεχεία τη χρησιμότητά τους με σκοπό την ανάπτυξη καινοτόμων πολυμερικών νανοφορέων φαρμακευτικών ενώσεων και νουκλεϊκών οξέων. Συγκεκριμένα, συντέθηκαν τρία αμφίφιλα διπλά αποκρινόμενα PDEGMA-b-PDIPAEMA δισυσταδικά συμπολυμερή, τρία αμφίφιλα διπλά αποκρινόμενα Η-P(OEGMA-co-DIPAEMA) τυχαία υπερδιακλαδισμένα συμπολυμερή καθώς και τρία αμφίφιλα διπλά αποκρινόμενα Η-P(DEGMA-co-DIPAEMA) τυχαία υπερδιακλαδισμένα συμπολυμερή μέσω ελεγχόμενου ριζικού πολυμερισμού αντιστρεπτής προσθήκης-θραυσματοποίησης-μεταφοράς αλυσίδας (RAFT). Τα αμφίφιλα PDEGMA-b-PDIPAEMA μελετήθηκαν σε υδατικά διαλύματα ως προς τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες σε υδατικά διαλύματα υπό την επίδραση του pH, της θερμοκρασίας και της ιονικής ισχύος. Τα αμφίφιλα διπλά αποκρινόμενα Η-P(OEGMA-co-DIPAEMA) τυχαία υπερδιακλαδισμένα συμπολυμερή μελετήθηκαν εξίσου σε υδατικά διαλύματα υπό την επίδραση διαφόρων φυσικοχημικών παραγόντων όπως είναι το pH, η θερμοκρασία καθώς και η ιοντική ισχύς και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν ως πολυμερικοί νανοφορείς για τον εγκλωβισμό του υδρόφοβου φαρμάκου κουρκουμίνη (CUR) στον υδρόφοβο πυρήνα DIPAEMA. Επίσης, πραγματοποιήθηκε ο εγκλωβισμός υδρόφοβων μαγνητικών νανοσωματιδίων (CoFe2O4) και κουρκουμίνης ταυτόχρονα στα συγκεκριμένα υπερδιακλαδισμένα συμπολυμερή. Επιπρόσθετα, με σκοπό τη διερεύνηση χρήσης των Η-P(ΟEGMA-co-DIPAEMA) συμπολυμερών ως νανοφορέων για γονιδιακή θεραπεία πραγματοποιήθηκαν μελέτες σύμπλεξης των συμπολυμερών αυτών με μόρια DNA. Το ίδιο μοτίβο πειραμάτων ακολουθήθηκε και για το σύστημα Η-P(DEGMA-co-DIPAEMA). Ειδικότερα, μελετήθηκε η αυτο-οργάνωσή του σε υδατικά διαλύματα με τις εναλλαγές τουpH, της θερμοκρασίας και της ιονικής ισχύος. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε ως πολυμερικός νανοφορέας για τον εγκλωβισμό του υδρόφοβου φαρμάκου ινδομεθακίνης (IND) στον υδρόφοβο πυρήνα DIPAEMA. Ο μοριακός χαρακτηρισμός των PDEGMA-b-PDIPAEMA, Η-P(OEGMA-coDIPAEMA) και Η-P(DEGMA-co-PDIPAEMA) συμπολυμερών επιτεύχθηκε μέσω χρωματογραφίας αποκλεισμού μεγεθών (SEC) και φασματοσκοπίας 1H-NMR επιβεβαιώνοντας την επιτυχημένη και ελεγχόμενη διεργασία πολυμερισμού. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των συμπολυμερών και των πολυμερικών νανοφορέων σε υδατικά διαλύματα μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας τις τεχνικές δυναμικής, στατικής και ηλεκτροφορητικής σκέδασης φωτός (DLS, SLS, ELS), φασματοσκοπίας UV-Vis και φθορισμού (FS) και κρυογονική ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διαπερατότητας (Cryo-TEM). Τα αποτελέσματα από τον φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των PDEGMA-b-PIDIPAEMA που προέκυψαν παρέχουν πολύτιμες νέες πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά και τις κατευθυντήριες γραμμές σχεδιασμού για την κατασκευή "σχιζοφρενικών" πολυμερικών νανοδομών που ανταποκρίνονται στα ερεθίσματα και έχουν τη δυνατότητα εφαρμογής στον βιοϊατρικό τομέα. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των διαλυμάτων συμπολυμερούς/φαρμάκου κατέδειξαν την ύπαρξη CUR και IND στα νανοσωματίδια των Η-P(OEGMA-co-DIPAEMA) και των Η-P(DEGMA-co-DIPAEMA) αντίστοιχα, καθώς επίσης επιβεβαίωσαν την επιτυχή σύμπλεξη του DNA με τα Η-P(OEGMA-co-DIPAEMA) συμπολυμερή. Επιπρόσθετα, οι μελέτες αλληλεπίδρασης FBS με τα συμπολυμερή και μετα διαλύματα συμπολυμερούς/φαρμάκου υπέδειξαν σταθερότητα των νανοσωματιδίων συμπολυμερούς και των πολυμερικών νανοφορέων σε προσομοιωμένο βιολογικό περιβάλλον. Οι μετρήσεις μαγνητοφόρησης έδειξαν ότι οι υβριδικές νανοδομές τριών συστατικών συμπολυμερούς/φαρμάκου/μαγνητικών νανοσωματιδίων (MNPs) διατηρούντις μαγνητικές τους ιδιότητες που προέρχονται από τα MNPs μετά την ενθυλάκωση τηςCUR, οδηγώντας σε μαγνητικά ενεργούς νανοφορείς με εγκλωβισμένο φάρμακο. Τέλος, τα αμφίφιλα Η-P(OEGMA-co-DIPAEMA) υπερδιακλαδισμένα συμπολυμερή μελετήθηκαν ως προς την κυτταροτοξικότητα μέσω in vitro πειραμάτων σε μια σειρά καρκινικώνκυττάρων (HEK-293)