Material based on functional star polymers : networks, cell transfectants, and hybrid metal-organic nanoparticles

Abstract

Αυτή η Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται με τη σύνθεση και τη μελέτη νέων υλικών βασισμένων σε λειτουργικά αστεροειδή πολυμερή: (α) αυτοσυναρμολογούμενα, αμφιφιλικά πολυμερικά συμπλέγματα (APCNs) που περιλαμβάνουν διασυνδεδεμένα αστεροειδή πολυμερή, (β) αποικοδομήσιμα πλέγματα που περιλαμβάνουν αστεροειδή πολυμερή που φέρουν διασπώμενες διασταυρώσεις, γ) κατιονικά αστεροειδή πολυμερή ικανά να σχηματίζουν σύμπλοκα με γενετικό υλικό και να το μεταφέρουν σε (βιολογικά) κύτταρα (επιμόλυνση), δ) υβριδικά πολυμερικά νανοσωματίδια με μεταλλικούς πυρήνες και ε) πολυμερικά πλέγματα διασυνδεδεμένα στα άκρα με μέταλλα. Όλες οι παραπάνω πολυμερικές συνθέσεις έγιναν με «ζωντανές» μεθόδους πολυμερισμού / ελεγχόμενες, κυρίως, όπου χρησιμοποιήθηκε ο πολυμερισμός μεταφοράς ομάδας (GTP), αλλά επίσης και o πολυμερισμός μεταφοράς αλυσίδας αντιστρεπτής προσθήκης-απόσπασης (RAFT), για την εξασφάλιση καλά καθορισμένων δομών πολυμερών. Τα σημαντικότερα αποτελέσματα είναι ίσως εκείνα από το κομμάτι των APCNs, που βασίζονται σε διάφορα αμφιφιλικά αστεροειδή συμπολυμερή μεθακρυλικού μεθυλεστέρα (ΜΜΑ, υδρόφοβο) και μεθακρυλικού 2-(διμεθυλαμινο)αιθυλεστέρα (DMAEMA, υδρόφιλο), που καλύπτει πολλά μήκη βραχιόνων, συνθέσεις και αλληλουχίες. Το πιο υδρόφοβο δείγμα, με μία συγκεκριμένη αλληλουχία, παρουσίασε μια φυλλώδη μορφολογία με διάταξη μεγάλης εμβέλειας τόσο σε νερό όσο και σε ξηρή μορφή, όπως αποδείχτηκε από μετρήσεις χρησιμοποιώντας σκέδαση νετρονίων υπό μικρές γωνίες (SANS) σε D2O, μικροσκοπία ατομικής δύναμης (atomic force microscopy, AFM) μετά από θερμική ανόπτηση σε ξηρό δείγμα και στο νερό και μικροσκοπία πολωμένου φωτός στο νερό. Η αντοχή σε θλίψη του εξαιρετικά διατεταγμένου δείγματος ήταν επίσης ανώτερη από εκείνη των ομολόγων του. Η επόμενη μελέτη αφορά τη σύνθεση αστεροειδών ομοπολυμερών του μεθακρυλικού γλυκιδυλεστέρα (GMA) με την προσκόλληση αμινών μέσω των εποξειδικών δακτυλίων, όπου προέκυψαν πέντε αστεροειδή πολυμερή με ολιγοαμίνες, που φέρουν από 2 έως 6 άτομα αζώτου, ακολουθούμενη από τη χρήση κάθε δείγματος για την επιμόλυνση κυττάρων μυοβλαστών ποντικού C2C12, με ένα πλασμίδιο που κωδικοποιεί μια φθορίζουσα πρωτεΐνη, τη λουσιφεράση πυγολαμπίδας. Από τα αποτελέσματα ανιχνεύθηκε ένα φαινόμενο περιττού - ζυγού, σε σχέση με τον αριθμό των ατόμων αζώτου που προσδέθηκαν στις ολιγοαμίνες, τόσο ως προς την αποτελεσματικότητα στην επιμόλυνση όσο και ως προς την κυτταροτοξικότητα. H δική μας εργασία παρουσίασε για πρώτη φορά ένα τέτοιο φαινόμενο περιττού – ζυγού σε απολύτως αβιοτικούς επιμολυντές. Έπειτα, συντέθηκαν υβριδικά πολυμερικά νανοσωματίδια με μεταλλικούς πυρήνες από διαδρομερή συν- και τρι-πολυμερή που περιλαμβάνουν ένα μικρό μέρος από μεθακρυλικό 2- (ακετοακετοξυ) αιθυλεστέρα (AcEMA) όπου συμπλοκοποιείται με μέταλλα και ένα μεγαλύτερο μέρος, από μη πολικό μεθακρυλικό λαυρυλεστέρα (LauMA) και χρησιμοποιήθηκε ως φθορίζον μονομερές ο μεθακρυλικος 9-ανθρυλομεθυλεστέρας (AnMMA) τυχαία ενσωματωμένο στα τριπολυμερή εντός του τμήματος του polyLauMA. Τέσσερα διαφορετικά μέταλλα συμπλοκοποιήθηκαν με τα διαδρομερή σε διάφορους διαλύτες, και συντέθηκαν υβριδικά μεταλλικά-οργανικά νανοσωματίδια όπου χαρακτηρίστηκαν σε σχέση με το μέγεθος και το σχήμα τους με χρήση σκέδασης φωτός και AFM. Τέλος, επεκτείνοντας την προηγούμενη ενότητα, ετοιμάσαμε υδρόφοβα πλέγματα συνδεδεμένα στα άκρα με μέταλλα. Συντέθηκαν τριαδρομερή συμπολυμερή ΑΒΑ των AcEMA-LauMA-AcEMA. Τα τερματικά μέρη, polyAcEMA αυτών των τριαδρομερών, συμπλοκοποιήθηκαν με παλλάδιο και χρυσό, όπου σχηματίστηκαν πλέγματα. Οι διάμετροι των μεταλλικών πυρήνων διασταύρωσης προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας μικροσκοπία μετάδοσης ηλεκτρονίων υψηλής ανάλυσης και βρέθηκαν να είναι 5 - 65 nm, ενώ τα μεγέθη των κρυσταλλιτών των μετάλλων μέσα σε αυτούς τους πυρήνες προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας περίθλαση ακτίνων-Χ και εκτιμήθηκαν να είναι 4.5 - 5.5 nm.

This PhD Thesis deals with the synthesis and study of novel materials based on functional star polymers: (a) self-assembling, amphiphilic polymer conetworks (APCN) comprising interconnected star polymers, (b) degradable polymer networks comprising star polymers bearing cleavable crosslinks, (c) cationic star polymers capable of forming complexes with genetic material and transferring it to (biological) cells (transfection), (d) hybrid polymer nanoparticles with metal cores, and (e) metal-end-linked polymer conetworks. All of the above polymer syntheses involved living / controlled polymerization methods, mostly group transfer polymerization (GTP), but also reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization, to secure well-defined polymer structures, as subsequently confirmed using appropriate size and composition characterization methods, i.e., gel permeation chromatography (GPC) and 1H nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, respectively. The most important results are perhaps the ones from the part on APCNs, based on various end-linked “core-first” amphiphilic star block copolymers of methyl methacrylate (MMA, hydrophobic component) and 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA, hydrophilic component), covering several arm lengths, compositions and block sequences. The most hydrophobic sample, with a particular block sequence, exhibited a lamellar morphology with long-range order both in water and in the bulk, as evidenced by measurements using small-angle neutron scattering (SANS) in D2O, atomic force microscopy (AFM) after thermal annealing in the bulk and water, and polarized light microscopy in water. The compressive strength of the highly-ordered sample was also superior to that of its homologues. The next project involved synthesis of “arm-first” star homopolymers of glycidyl methacrylate (GMA), and the attachment, through the epoxide rings, onto the resulting stars of five oligoamines, bearing from 2 to 6 nitrogen atoms, followed by the use of each sample for transfecting C2C12 mouse myoblast cells with a plasmid encoding for a fluorescent protein, firefly luciferase. The results detected an odd-even motif, with respect to the number of nitrogen atoms in the oligoamine grafts, both regarding transfection efficiency and cytotoxicity. Our present work constituting the first demonstration of such an odd-even effect with totally abiotic transfectants. For the following part, hybrid polymer nanoparticles with metal cores were fabricated. To this end, we synthesized several diblock co- and ter-polymers comprising a metal-chelating short block of 2-(acetoacetoxy)ethyl methacrylate (AcEMA) and a longer, relatively non-polar, block of lauryl methacrylate (LauMA), with the 9-anthrylmethyl methacrylate (AnMMA) fluorescent monomer randomly incorporated in the terpolymers within the LauMA block. Four different metals were complexed with the diblocks in various solvents, and the formed hybrid metal-organic nanoparticles were characterized in terms of their size and shape using light scattering and AFM. Finally, extending the metal nanoparticle strategy in the previous section, we prepared metal-end-linked hydrophobic conetworks, ABA triblock copolymers of AcEMA-LauMA-AcEMA. The polyAcEMA end-blocks of these triblocks were subsequently complexed with palladium and gold, which led to network formation. The diameters of the metal crosslinking cores were determined using high-resolution transmission electron microscopy and found to be around 5 – 65 nm, whereas the sizes of the metal crystallites within these cores were determined using powder X-ray diffraction and estimated to be around 4.5 – 5.5 nm.