Investigations on segmented polymer networks and protein conjugates based on end-group functionalized poly(2-oxazoline)s
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Date
2025
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Abstract
The specific design of defined macromolecular components enables the formation of diverse nanostructured materials with tailored properties. In this work, different poly(2-oxazoline)s (POx) with functional terminal double bonds were synthesized and characterized both for the design of segmented polymer networks (SPNs) and for the conjugation of proteins.
In the first section, two novel families of amphiphilic polymer copolymer networks (APCNs) were prepared by copolymerizing hydrophobic poly(2-(1-ethylpentyl)-2-oxazoline) functionalized on both sides with one of the hydrophilic monomers 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) or N,N-dimethylacrylamide (DMA) while varying the composition. The network syntheses were carried out via the macromeric cross-linker approach using a defined, telechelic polymer with a high degree of functionalization to achieve ordered structures in the networks through a component that is as highly defined as possible. All synthesized APCNs were swollen in the solvents water, toluene, or n-heptane and the intrinsic nanophases of the materials were investigated by small angle X-ray scattering (SAXS) both in the dry and in the swollen state. The HEA-based APCNs in particular showed ideal nanostructural swelling properties, since swelling in the phase-selective solvents water or n-heptane leads to swelling of the respective addressed polymer phase, whereby it was shown that the nanostructural order is retained.
Furthermore, SPNs based on the hydrophilic polymer components polyethylene glycol (PEG) with either poly(2-methyl-2-oxazoline) or poly(2-ethyl-2-oxazoline) were prepared in the following section by cross-linking the bifunctional acrylate end-groups. The obtained SPNs were characterized by SAXS in the dry and swollen state with respect to their nanostructure. Depending on their composition, a SPN system was identified with no initial nanostructure, but in which a clear phase separation could be induced by the influence of elevated temperature or selective solvent.
Furthermore, in a comparative study, polymer-protein conjugates via Michael addition reactions between terminally acrylate-functionalized PEG or POx with varying chain lengths and the proteinogenic amino groups of lysozyme as a model protein were investigated. The respective conjugation efficiency was analyzed by SDS-PAGE and the reactivities of the respective polymeric acrylate end-groups were further characterized by 1H-NMR spectroscopy.
Das spezifische Design von definierten makromolekularen Komponenten ermöglicht den Aufbau vielfältiger nanostrukturierter Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Poly(2-oxazolin)e (POx) mit funktionellen endständigen Doppelbindungen sowohl für das Design von segmentierten Polymernetzwerken (SPNs) als auch für die Konjugation von Proteinen synthetisiert und charakterisiert. Im ersten Abschnitt wurden durch Copolymerisationen von hydrophobem, beidseitig Acrylat-funktionalisiertem Poly(2-(1-ethylpentyl)-2-oxazolin) mit jeweils einem der hydrophilen Monomere 2-Hydroxyethylacrylat (HEA) oder N,N-Dimethylacrylamid (DMA) unter Variation der Zusammensetzung zwei neuartige Familien amphiphiler Polymer-Conetzwerke (APCNs) hergestellt. Die Netzwerksynthesen erfolgten über den makromeren Vernetzer-Ansatz unter Einsatz eines definierten, telechelen Polymers mit einem hohen Funktionalisierungsgrad, um durch eine möglichst hochdefinierte Komponente geordnete Strukturen in den Netzwerken zu erreichen. Alle synthetisierten APCNs wurden jeweils in den Lösemitteln Wasser, Toluol oder n-Heptan gequollen und die intrinsischen Nanophasen der Materialien wurden mittels Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) sowohl im trockenen Zustand, als auch im gequollenen Zustand untersucht. Speziell die HEA-basierten APCNs zeigten dabei ideale nanostrukturelle Quelleigenschaften, da es bei Quellung in den phasenselektiven Lösemitteln Wasser oder n-Heptan zu einer Quellung der jeweiligen adressierten Polymerphase kommt, wobei gezeigt werden konnte, dass die nanostrukturelle Ordnung dabei erhalten bleibt. Weiterhin wurden im Folgenden Abschnitt SPNs auf Basis der hydrophilen Polymerkomponenten Polyethylenglycol (PEG) mit entweder Poly(2-methyl-2-oxazolin) oder Poly(2-ethyl-2-oxazolin) durch die Vernetzung der bifunktionellen Acrylat-Endgruppen hergestellt. Die erhaltenen SPNs wurden mit Hilfe von SAXS im trockenen und gequollenen Zustand hinsichtlich ihrer Nanostruktur charakterisiert. In Abhängigkeit ihrer Zusammensetzung konnte dabei ein SPN-System identifiziert werden, welches zunächst keine Nanostruktur aufweist, bei dem jedoch durch den Einfluss von erhöhter Temperatur oder selektivem Lösemittel gezielt eine deutliche Phasenseparation induziert werden konnte. Darüber hinaus wurden in einer vergleichenden Studie Polymer-Protein-Konjugate via Michael-Additionsreaktionen zwischen endständig Acrylat-funktionalisiertem PEG oder POx mit variierenden Kettenlängen und den proteinogenen Aminogruppen von Lysozym als Modellprotein untersucht. Die jeweilige Konjugationseffizienz wurde mittels SDS-PAGE analysiert und die Reaktivitäten der jeweiligen polymeren Acrylat-Endgruppen wurden ferner mittels 1H-NMR Spektroskopie charakterisiert.
Das spezifische Design von definierten makromolekularen Komponenten ermöglicht den Aufbau vielfältiger nanostrukturierter Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Poly(2-oxazolin)e (POx) mit funktionellen endständigen Doppelbindungen sowohl für das Design von segmentierten Polymernetzwerken (SPNs) als auch für die Konjugation von Proteinen synthetisiert und charakterisiert. Im ersten Abschnitt wurden durch Copolymerisationen von hydrophobem, beidseitig Acrylat-funktionalisiertem Poly(2-(1-ethylpentyl)-2-oxazolin) mit jeweils einem der hydrophilen Monomere 2-Hydroxyethylacrylat (HEA) oder N,N-Dimethylacrylamid (DMA) unter Variation der Zusammensetzung zwei neuartige Familien amphiphiler Polymer-Conetzwerke (APCNs) hergestellt. Die Netzwerksynthesen erfolgten über den makromeren Vernetzer-Ansatz unter Einsatz eines definierten, telechelen Polymers mit einem hohen Funktionalisierungsgrad, um durch eine möglichst hochdefinierte Komponente geordnete Strukturen in den Netzwerken zu erreichen. Alle synthetisierten APCNs wurden jeweils in den Lösemitteln Wasser, Toluol oder n-Heptan gequollen und die intrinsischen Nanophasen der Materialien wurden mittels Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) sowohl im trockenen Zustand, als auch im gequollenen Zustand untersucht. Speziell die HEA-basierten APCNs zeigten dabei ideale nanostrukturelle Quelleigenschaften, da es bei Quellung in den phasenselektiven Lösemitteln Wasser oder n-Heptan zu einer Quellung der jeweiligen adressierten Polymerphase kommt, wobei gezeigt werden konnte, dass die nanostrukturelle Ordnung dabei erhalten bleibt. Weiterhin wurden im Folgenden Abschnitt SPNs auf Basis der hydrophilen Polymerkomponenten Polyethylenglycol (PEG) mit entweder Poly(2-methyl-2-oxazolin) oder Poly(2-ethyl-2-oxazolin) durch die Vernetzung der bifunktionellen Acrylat-Endgruppen hergestellt. Die erhaltenen SPNs wurden mit Hilfe von SAXS im trockenen und gequollenen Zustand hinsichtlich ihrer Nanostruktur charakterisiert. In Abhängigkeit ihrer Zusammensetzung konnte dabei ein SPN-System identifiziert werden, welches zunächst keine Nanostruktur aufweist, bei dem jedoch durch den Einfluss von erhöhter Temperatur oder selektivem Lösemittel gezielt eine deutliche Phasenseparation induziert werden konnte. Darüber hinaus wurden in einer vergleichenden Studie Polymer-Protein-Konjugate via Michael-Additionsreaktionen zwischen endständig Acrylat-funktionalisiertem PEG oder POx mit variierenden Kettenlängen und den proteinogenen Aminogruppen von Lysozym als Modellprotein untersucht. Die jeweilige Konjugationseffizienz wurde mittels SDS-PAGE analysiert und die Reaktivitäten der jeweiligen polymeren Acrylat-Endgruppen wurden ferner mittels 1H-NMR Spektroskopie charakterisiert.
Description
Table of contents
Keywords
Poly(2-oxazoline)s, Functional end-group, Polymer-protein-conjugate, Segmented polymer network, Amphiphilic polymer conetwork
Subjects based on RSWK
Makromolekül