Συμπολυμερή κατά συστάδες με τυχαία κατανομή μονομερικών μονάδων σε μια συστάδα: σύνθεση, χαρακτηρισμός, ιδιότητες

Abstract

In recent years the field of Polymer Science has seen great growth due to the multitude of applications of polymers in the fields of medicine, nanotechnology and biotechnology. The applications of polymers in nanotechnology are emmense. Especially those related to amphiphilic copolymers which through their property of self-assembly in aqueous media form nanostructures is of particular interest. Amphiphilic copolymers presenting different architectures such as block, random or statistical, star, graft copolymers form nanostructures of different morphological characteristics which can be used accordingly based on the requirements of each application in the field of nanotechnology. Also important is the possibility of modifying them after polymerization in order to incorporate additional functionalities and properties. Random or statistical copolymers were not used in the past in bio-applications due to poor control over polymer molecular mass and wide mass distributions. But the interweaving of polymerization techniques with modern methods such as living/controlled polymerization methods e.g Reversible Addition Fragmentation chain Transfer (RAFT) polymerization has overcome these obstacles. Random or statistical copolymers require fewer polymerization steps to incorporate two or more monomers, a feature that makes the polymerization process easier and less expensive. Amphiphilic copolymers that respond to stimuli such as changes in temperature, pH and ionic strength of the solution are a class of polymers which, due to the properties of their aqueous solutions, are commonly used in biomedical and nanotechnology applications. Their hydrophobic parts can be used to retain and transport pharmaceutical molecules as cargos, while due to their response to stimuli, they offer increased uptake and controlled release of drugs in target cells. The hydrophilic regions grant increased stability, water solubility and stealth properties of the polymeric system, extending their circulation time. Hydrophilic polyelectrolyte parts can also complex with nucleic acids and proteins forming bio-hybrid nanostructures, thus reducing their degradation rate with the ultimate goal of treating infected cells. The aim of the current doctoral dissertation is the synthesis of linear and star copolymers and their subsequent modification after polymerization in order to produce copolymers with a random distribution of monomeric units in a block or arm, respectively. The synthesis of copolymers that respond to changes in temperature, pH and ionic strength was carried out by the RAFT polymerization method and subsequently their self-assembly in aqueous media was studied. Μore specifically, the [poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)-b- poly(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate)] (PDMAEMA-b-POEGMA) diblock copolymers were synthesized, of which the PDMAEMA block was then partially modified with alkyl agents of different lengths through quaternization, resulting in the production of partially hydrophobic diblock copolymers where one block contains randomly distributed two types of monomer units P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA)-b-POEGMA. Also, the PDMAEMA block was modified using 1-propanesultone in order to form copolymers of the type P(DMAEMA-co-sDMAEMA)-b-POEGMA possessing zwitterionic sulfobetaine groups. Then, the miktoarm star copolymers of the (PDMAEMA)x(POEGMA)y type were synthesized, where PDMAEMA arms were partially modified with alkyl agents of different lengths to finally produce the partially modified cationic miktoarm stars of the [P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA)]x[POEGMA]y type with enhanced hydrophobic character. Modified copolymers through partial chemical modification of tertiary amine groups have been partially converted into cationic polyelectrolytes while simultaneously bearing long hydrophobic side groups with six and twelve carbon atoms. The molecular characterization of the synthesized polymers was performed using the techniques of size exclusion chromatography (SEC) to determine their molecular masses and molecular mass distributions, proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) spectroscopy for the determination of their composition and degree of chemical modification and FTIR spectroscopy for their chemical identification, confirming their successful synthesis. Subsequently, the self-organization of the synthesized polymers in aqueous solutions was studied as a function of temperature, pH and ionic strength of the solution using dynamic (DLS), static (SLS) and electrophoretic (ELS) lightscattering techniques, fluorescence spectroscopy (FS) and cryo transmission electron microscopy (cryo-TEM).The evaluation of the physicochemical characteristics of the partially hydrophobic diblock copolymers of the P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA)-b-POEGMA type in aqueous solutions led to the encapsulation and controlled release of the drug indomethacin as verified by the scattering techniques (DLS-SLS) and the spectra from UV-Vis and FTIR spectroscopies. Also, partial modification with alkyl agents in addition to the introduction of long hydrophobic chains simultaneously introduced positive charges to the amino groups of the P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA) block resulting in the design and preparation of complexes with nucleic acids and proteins with the aim of developing bio-hybrid nanostructures. The ability of modified copolymers to complex biomacromolecules was studied by scattering techniques (DLS, SLS, ELS) and UV-Vis and FS spectroscopies. Additionally, the modified mikroarm stars [P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA)]x[POEGMA]y were studied for their ability to form complexes with nucleic acids by using the corresponding techniques utilized for the linear analoques. Finally, simultaneous entrapment of the two drugs indomethacin and curcumin within the aggregates of the modified copolymers was carried out. The mixed nanostructures were studied by light scattering techniques (DLS, SLS), UV-Vis, FS and FTIR spectroscopies, while their morphologies were examined with the cryo-TEM technique.

Τα τελευταία χρόνια ο τομέας της Επιστήμης των Πολυμερών γνωρίζει μεγάλη ανάπτυξη λόγω του πλήθους των εφαρμογών των πολυμερών στους τομείς της ιατρικής, της νανοτεχνολογίας και της βιοτεχνολογίας. Η εφαρμογή των πολυμερών στη νανοτεχνολογία και ιδιαίτερα των αμφίφιλων συμπολυμερών, τα οποία μέσω της ιδιότητάς τους να σχηματίζουν νανοδομές σε υδατικά μέσα λόγω αυτο-οργάνωσης, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Αμφίφιλα συμπολυμερή που παρουσιάζουν διαφορετικές αρχιτεκτονικές όπως τα κατά συστάδες, τα τυχαία ή στατιστικά, τα αστεροειδή και τα εμβολιασμένα συμπολυμερή, σχηματίζουν νανοδομές διαφορετικών μορφολογικών χαρακτηριστικών και μπορούν να χρησιμοποιηθούν με βάση τις απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής στο πεδίο της νανοτεχνολογίας. Σημαντική είναι και η δυνατότητα τροποποίησής τους με το πέρας του πολυμερισμού με σκοπό την αλλαγή της χημικής τους φύσης και την ενσωμάτωση επιπλέον ιδιοτήτων. Τα τυχαία ή στατιστικά συμπολυμερή δεν έβρισκαν εφαρμογή στο παρελθόν λόγω του μη καλού ελέγχου επί του μοριακού βάρους των πολυμερών και των μεγάλων διασπορών μοριακών βαρών που προέκυπταν κατά τη σύνθεση. Όμως η διάνθιση των τεχνικών πολυμερισμού με σύγχρονες μεθόδους ζωντανού/ ελεγχόμενου πολυμερισμού, π.χ. πολυμερισμός αντιστρεπτής προσθήκης-μεταφοράς αλυσίδας με απόσπαση (RAFT), έχει βοηθήσει στην υπερπήδηση αυτών των εμπόδιων. Τα τυχαία ή στατιστικά συμπολυμερή απαιτούν λιγότερα στάδια πολυμερισμού για την ενσωμάτωση δύο ή παραπάνω μονομερών, χαρακτηριστικό που κάνει τον πολυμερισμό τους λιγότερο δαπανηρό και ευκολότερο. Τα αμφίφιλα συμπολυμερή που αποκρίνονται σε ερεθίσματα, όπως αλλαγές στη θερμοκρασία, στο pH και στην ιοντική ισχύ του διαλύματος αποτελούν κατηγορία πολυμερών τα οποία λόγω των ιδιοτήτων των υδατικών διαλυμάτων τους χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε εφαρμογές της βιοϊατρικής και της νανοτεχνολογίας. Τα υδρόφοβα τμήματά τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συγκράτηση και τη μεταφορά φαρμακευτικών μορίων, ενώ λόγω της απόκρισής τους σε ερεθίσματα προσφέρουν αυξημένη πρόσληψη και ελεγχόμενη απελευθέρωση των φαρμάκων σε κύτταρα-στόχους. Oι υδρόφιλες περιοχές προσδίδουν αυξημένησταθερότητα, υδατοδιαλυτότητα και ιδιότητες απόκρυψης του πολυμερικού συστήματος παρατείνοντας τον χρόνο κυκλοφορίας τους στο αίμα και τους ιστούς. Τα υδρόφιλα μέρη επίσης μπορούν να συμπλεχθούν με νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες σχηματίζοντας βιο-υβριδικές νανοδομές μειώνοντας έτσι τον ρυθμό αποικοδόμησής τους με τελικό σκοπό την θεραπεία των μολυσμένων κυττάρων. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη σύνθεση γραμμικών και αστεροειδών συμπολυμερών και τη χημική τροποποίησή τους μετά το πέρας του πολυμερισμού προκειμένου να παραχθούν συμπολυμερή με τυχαία κατανομή των μονομερικών μονάδων σε μια συστάδα/κλάδο. Η σύνθεση των συμπολυμερών που αποκρίνονται σε αλλαγές της θερμοκρασίας, του pH και της ιοντικής ισχύος πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο πολυμερισμού RAFT και στη συνέχεια μελετήθηκε η αυτο-οργάνωσή τους σε υδατικά μέσα. Αναλυτικότερα, συντέθηκαν τα δισυσταδικά συμπολυμερή πολυ(μεθακρυλικού εστέρα της διμεθυλοαμινοαιθανόλης) -b- πολυ(μεθακρυλικού εστέρα της ολιγοαιθυνελογλυκόλης) (PDMAEMA-b-POEGMA) των οποίων στη συνέχεια τροποποιήθηκε μερικώς η PDMAEMA συστάδα μέσω τεταρτοταγοποίησης με αλκυλικούς παράγοντες διαφορετικού μήκους με αποτέλεσμα την παραγωγή των μερικώς υδρόφοβων κατιοντικών δισυσταδικών συμπολυμερών όπου η μια συστάδα περιέχει τυχαία καταναμημένες δυο ειδών μονομερικές μονάδες P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA)-b-POEGMA. Επίσης, η PDMAEMA συστάδα τροποποιήθηκε με τη χρήσης της 1-προπανοσουλτόνης με σκοπό τον σχηματισμό συμπολυμερών τύπου P(DMAEMA-co-SDMAEMA)-b-POEGMA με διπολικές ομάδες σουλφοβεταΐνης. Στη συνέχεια, συντέθηκαν τα μικτόκλωνα αστεροειδή συμπολυμερή τύπου (PDMAEMA)x(POEGMA)y, των οποίων οι PDMAEMA κλάδοι τροποποιήθηκαν μερικώς με αλκυλικούς παράγοντες διαφορετικού μήκους ώστε τελικά να παραχθούν τα μερικώς τροποποιήμενα κατιοντικά μικτόκλωνα αστεροειδή τύπου [P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA)]x[POEGMA]y με ενισχυμένο υδρόφοβο χαρακτήρα. Τα τροποποιημένα συμπολυμερή μέσω της μερικής χημικής τροποποίησης των τριτοταγών αμινομάδων έχουν μετατραπεί μερικώς σε ισχυρούς κατιοντικούς πολυηλεκτρολύτες ενώ συγχρόνως φέρουν μακριές υδρόφοβες πλευρικές ομάδες με έξι και δώδεκα άτομα άνθρακα. 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 και του ποσοστού της χημικής τροποποίησής τους και της φασματοσκοπίας FTIR για τη χημική ταυτοποίησή τους, πιστοποιώντας την επιτυχή σύνθεσή 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 κρυογονικής ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (cryo-TEM). Η αποτίμηση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των μερικώς υδρόφοβων δισυσταδικών συμπολυμερών τύπου P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA)-b-POEGMA σε υδατικά διαλύματα οδήγησε στην ενθυλάκωση και στην ελεγχόμενη αποδέσμευση του φαρμάκου ινδομεθακίνης όπως πιστοποιήθηκε με τις τεχνικές σκέδασης (DLS/SLS) και τις φασματοσκοπίες UV-Vis και FTIR. Επίσης, η μερική τροποποίηση με αλκυλικούς παράγοντες εκτός της εισαγωγής μακριών υδρόφοβων αλυσίδων ταυτόχρονα εισήγαγε θετικά φορτία στις αμινομάδες της συστάδας P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA) δίνοντας την ευκαιρία για τον σχεδιασμό/παρασκευή συμπλόκων με νουκλεϊκά οξέα και πρωτεϊνές με στόχο την ανάπτυξη βιο-υβριδικών νανοδομών. Η ικανότητα των τροποποιημένων συμπολυμερών να συμπλέκονται με βιομακρομόρια μελετήθηκε με τις τεχνικές σκέδασης (DLS, SLS, ELS) και τις φασματοσκοπίες UV-Vis και FS. Eπιπρόσθετα, τα τροποποιημένα μικτόκλωνα αστεροειδή [P(DMAEMA-co-Q6/12DMAEMA)]x[POEGMA]y μελετήθηκαν ως προς την ικανότητά τους να σχηματίζουν νανοσκοπικά σύμπλοκα με νουκλεϊκά οξεά χρησιμοποιώντας τις αντίστοιχες τεχνικές με τις οποίες μελετήθηκαν τα γραμμικά συμπολυμερή. Τέλος, έγιναν μελέτες ταυτόχρονου εγκλωβισμού στα συσσωματώματα των τροποποιημένων συμπολυμερών των φαρμάκων ινδομεθακίνη και κουρκουμίνη. Οι μικτές νανοδομές μελετήθηκαν με τις τεχνικέςσκέδασης (DLS, SLS), τις φασματοσκοπίες UV-Vis, FS και FTIR, ενώ οι μορφολογίες τους εξετάστηκαν με την τεχνική cryo-TEM.