Θερμοαποκρινόμενα συμπολυμερή κατά συστάδες διαφορετικών αρχιτεκτονικών: σύνθεση, χαρακτηρισμός, ιδιότητες

Abstract

Recent decades have seen an accelerating pace in the development of Polymer Science due to a plethora of their applications in various high-tech fields such as engineering, medicine, biotechnology, and nanotechnology. The application of polymers in the field of nanotechnology is of particular interest to the development of functional polymeric materials, such as amphiphilic block copolymers, which have the ability to self-assemble in aqueous media forming nanoscale structures. More specifically, stimuli-responsive amphiphilic block copolymers have attracted scientific interest regarding their synthesis, self-organization in aqueous solutions, and applications in biomedicine and nanotechnology. Their hydrophobic moieties can be utilized as "reservoirs" for the encapsulation of hydrophobic drug molecules while their hydrophilic regions render stability to the polymeric system in aqueous media and simultaneously can be used for complexation with nucleic acids or inorganic nanoparticles, forming bio-hybrid or organic-inorganic hybrid nanostructures.The purpose of the current doctoral dissertation is the synthesis of novel temperature-responsive block copolymers of different architectures, utilizing the RAFT polymerization methodology, to investigate their self-assembly properties in aqueous media. The synthesis of diblock copolymers PNIPAM-b-PDMAEA, triblock terpolymers PDMAEA-b-PNIPAM-b-POEGA and PDEGMA-b-PDMAEMA-b-PLMA, miktoarm star copolymers of the type (PDEGMA)x(PDMAEMA)y as well as hyperbranched copolymers, with random distribution of monomeric units, hyperbranched-P(NIPAM-co-OEGA) was accomplished. The block copolymers, which contain PDMAEA or PDMAEMA cationic block, were converted to strong cationic polyelectrolytes by chemical modification (quaternization) of their tertiary amine groups.The molecular characterization of the synthesized temperature-responsive copolymers was achieved by utilizing size exclusion chromatography (SEC) for the determination of molecular weights and molecular weight distributions, proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR) for chemical identification, certifying the successful synthesis. Moreover, the self-assembly properties of the synthesized copolymers in aqueous solutions were studied as a function of solution temperature, pH and ionic strength using dynamic (DLS), static (SLS) and electrophoretic (ELS) light scattering, fluorescence spectroscopy (FS) and transmission electon microscopy (TEM).The assessment of the physicochemical parameters of the synthesized diblock copolymers PNIPAM-b-PDMAEA and triblock terpolymers PDMAEA-b-PNIPAM-b-POEGA in aqueous media, as well as their chemical modification by converting them into strong PNIPAM-b-QPDMAEA and QPDMAEA-b-PNIPAM-b-POEGA cationic polyelectrolytes, due to the cationic nature of the QPDMAEA block, lead to the preparation of polymeric complexes with nucleic acids for the development of bio-hybrid nanosystems. The ability of the diblock copolymers and triblock terpolymers to interact with nucleic acids was certified by fluorescence spectroscopy (FS) and ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, while the structural characterization of the formed complexes was achieved by light scattering techniques (DLS, SLS, ELS). Due to the presence of PNIPAM block (poly(N-isopropyl acrylamide)), which is a temperature-responsive polymer exhibiting a lower critical solution temperature (LCST) at 32°C, physicochemical studies of the formed polymer/DNA complexes were performed at 25°C and 45°C, in order to investigate their self-assembly properties as a function of temperature. Furthermore, the utilization of PDEGMA-b-PDMAEMA-b-PLMA micelles for the “in situ” synthesis of gold nanoparticles (AuNPs) was examined and subsequently their cationic micelles were investigated as nucleic acid delivery vectors. The formed complexes in both cases were studied using fluorescence spectroscopy (FS), ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy and light scattering techniques (DLS, SLS, ELS).

Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται ένας επιταχυνόμενος ρυθμός ανάπτυξης της Επιστήμης των Πολυμερών εξαιτίας της πληθώρας εφαρμογών των πολυμερών σε διάφορους τομείς υψηλής τεχνολογίας όπως η μηχανική, η ιατρική, η βιοτεχνολογία και η νανοτεχνολογία. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η εφαρμογή των πολυμερών στον τομέα της νανοτεχνολογίας μέσω της ανάπτυξης λειτουργικών πολυμερικών υλικών, όπως για παράδειγμα των αμφίφιλων συμπολυμερών κατά συστάδες, τα οποία παρουσιάζουν την ικανότητα να αυτοοργανώνονται σε υδατικά μέσα, σχηματίζοντας δομές στη νανοκλίμακα. Πιο συγκεκριμένα, τα αποκρινόμενα σε εξωτερικά ερεθίσματα αμφίφιλα κατά συστάδες συμπολυμερή έχουν προσελκύσει το επιστημονικό ενδιαφέρον όσον αφορά τη σύνθεση, την αυτό-οργάνωση σε υδατικά διαλύματα και τις εφαρμογές τους στο πεδίο της βιοϊατρικής και της νανοτεχνολογίας. Τα υδρόφοβα τμήματά τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως «δεξαμενές» για τον εγκλωβισμό υδρόφοβων φαρμακευτικών μορίων ενώ οι υδρόφιλες περιοχές τους προσδίδουν σταθερότητα στο πολυμερικό σύστημα μέσα στο υδατικό μέσο και παράλληλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σύμπλεξη με νουκλεϊκά οξέα ή με ανόργανα νανοσωματίδια, σχηματίζοντας βιο-υβριδικές και οργανικές-ανόργανες υβριδικές νανοδομές.Ο σκοπός της παρούσης διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη καινοτόμων, θερμοαποκρινόμενων συμπολυμερών κατά συστάδες διαφορετικών αρχιτεκτονικών με τη χρήση της τεχνικής πολυμερισμού RAFT, με σκοπό να διερευνηθούν οι ιδιότητες της αυτo-οργάνωσης τους σε υδατικά διαλύματα. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση δισυσταδικών συμπολυμερών τύπου PNIPAM-b-PDMAEA, τρισυσταδικών τριπολυμερών τύπου PDMAEA-b-PNIPAM-b-POEGA και τύπου PDEGMA-b-PDMAEMA-b-PLMA, μικτόκλωνων αστεροειδών συμπολυμερών τύπου (PDEGMA)x(PDMAEMA)y καθώς και υπερδιακλαδισμένων συμπολυμερών με τυχαία κατανομή των μονομερικών μονάδων τύπου υπερδιακλαδισμένων-P(NIPAM-co-OEGA). Τα συμπολυμερή που περιείχαν κατιοντική συστάδα PDMAEA ή PDMAEMA μετατράπηκαν σε ισχυρούς κατιοντικούς πολυηλεκτρολύτες μέσω χημικής τροποποίησης (τεταρτοταγοποίηση) της τριτοταγούς αμινο-ομάδας τους. Ο μοριακός χαρακτηρισμός των συντεθέντων πολυμερών πραγματοποιήθηκε με τη χρήση των τεχνικών της χρωματογραφίας αποκλεισμού μεγεθών (SEC) για τον προσδιορισμό των μοριακών βαρών και των κατανομών μοριακών βαρών, της φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου (1H-NMR) για τον προσδιορισμό της σύστασης τους και της φασματοσκοπίας FTIR για τη χημική ταυτοποίησή τους, πιστοποιώντας την επιτυχή σύνθεση τους. Ακολούθως, μελετήθηκε η αυτο-οργάνωση των συντεθέντων πολυμερών σε υδατικά διαλύματα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, του pH και της ιοντικής ισχύος του διαλύματος με τη χρήση των τεχνικών της δυναμικής (DLS), στατικής (SLS) και ηλεκτροφορετικής (ELS) σκέδασης φωτός, της φασματοσκοπίας φθορισμού (FS) και της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM). Η αξιολόγηση των φυσικοχημικών παραμέτρων των συντεθέντων κατά συστάδες συμπολυμερών PNIPAM-b-PDMAEA και τριπολυμερών PDMAEA-b-PNIPAM-b-POEGA σε υδατικά διαλύματα καθώς και η χημική τους τροποποίηση μετατρέποντας τα σε ισχυρούς πολυηλεκτρολύτες PNIPAM-b-QPDMAEA και QPDMAEA-b-PNIPAM-b-POEGA, εξαιτίας της κατιοντικής φύσης της συστάδας του QPDMAEA, οδήγησαν στον σχεδιασμό συμπλόκων με νουκλεϊκά οξέα με σκοπό την ανάπτυξη βιο-υβριδικών νανοσυστημάτων. Η ικανότητα αλληλεπίδρασης των συμπολυμερών και τριπολυμερών με νουκλεϊκά οξέα πιστοποιήθηκε με φασματοσκοπία φθορισμού (FS) και φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού (UV-Vis) ενώ ο χαρακτηρισμός των σχηματιζόμενων συμπλόκων επιτεύχθηκε με τεχνικές σκέδασης φωτός (DLS, SLS, ELS). Εξαιτίας της ύπαρξης της συστάδας του PNIPAM (πολυ(Ν-ισοπροπυλοακρυλαμίδιο)), το οποίο είναι ένα θερμοαποκρινόμενο πολυμερές εμφανίζοντας χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία διαλύματος (LCST) στους 32°C, οι φυσικοχημικές μελέτες των σχηματιζόμενων συμπλόκων πραγματοποιήθηκαν στους 25°C και 45°C, έτσι ώστε να μελετηθούν οι ιδιότητες της αυτο-οργάνωσης τους ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Επίσης, διερευνήθηκε η χρήση των μικκυλίων των τριπολυμερών κατά συστάδες PDEGMA-b-PDMAEMA-b-PLMA για την in situ σύνθεση νανοσωματιδίων χρυσού (AuΝPs) και παράλληλα μελετήθηκε η χρήση των κατιοντικών τους μικκυλίων ως φορείς για τη μεταφορά νουκλεϊκών οξέων. Τα σχηματιζόμενα σύμπλοκα και στις δύο περιπτώσεις μελετήθηκαν με τη χρήση της φασματοσκοπίας φθορισμού (FS), της φασματοσκοπίας υπεριώδους-ορατού (UV-Vis) καθώς και τεχνικών σκέδασης φωτός (DLS, SLS, ELS).