Development and Investigation of Polymer Brush-Based Prodrugs and Micropatterned Lipid Bilayer Membranes

Verbesserte Implantatbeschichtungen werden dringend benötigt, um die Besiedlung durch pathogene Bakterien zu verhindern und damit die Bildung infektionsverursachender Biofilme zu unterbinden. Gleichzeitig sollte die Adhäsion von Wirtszellen gefördert werden, um eine erfolgreiche Integration des Implantats in das umliegende Gewebe zu ermöglichen. Materialien, die diese konkurrierende Besiedlung der Implantatoberfläche – bekannt als „race for the surface“ – zugunsten der Gewebeintegration steuern, müssen dabei hohe biomedizinische Anforderungen erfüllen, darunter Biokompatibilität, Langzeitstabilität und antibakterielle Wirksamkeit.
Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis von Polymerbürsten als biomedizinische Beschichtungen zu vertiefen, indem beide Aspekte des „race for the surface“ systematisch untersucht werden. Im ersten Teil wird die Kombination von Polymerbürsten mit Polymer-Prodrugs betrachtet, wodurch eine neue Materialklasse entsteht, die als „Polymerbürsten-Prodrugs“ bezeichnet wird. Hierfür wurden zwei monomere Prodrugs auf Basis der Antibiotika Chloramphenicol und Sulfanilamid synthetisiert. Diese enthalten entweder eine Ester- oder eine Iminbindung als hydrolysierbare Verknüpfung und wurden anschließend zur Herstellung entsprechender Polymerbürsten verwendet. Die resultierenden Materialien wurden umfassend charakterisiert und hinsichtlich ihrer Fähigkeit untersucht, unter physiologischen Bedingungen durch hydrolytische Spaltung der Bindungen das jeweilige Antibiotikum freizusetzen. Eine verlängerte Wirkstofffreisetzung konnte ausschließlich für das hydrolytisch labile Imin-System beobachtet werden. Dabei wurden Wirkstoffkonzentrationen erreicht, die ausreichten, um drei planktonische Stämme von Staphylococcus aureus zu inaktivieren.

Der zweite Teil der Arbeit legt die Grundlage für neuartige Zellkulturplattformen auf Basis hybrider Systeme, die aus mit Polymerbürsten modifizierten Lipidmembranen bestehen. Durch die Übertragung der oberflächeninitiierten Bürstensynthese mittels reversibler Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungspolymerisation (RAFT) auf einen neu entwickelten UV-induzierten Ansatz konnten Polymerbürsten für die Untersuchung der Zelladhäsion auf diesen Oberflächen hergestellt werden. Es zeigte sich, dass sich die Antifouling-Eigenschaften der modifizierten Membranen gezielt über die Länge der Ethylenglykol-Seitenketten einstellen lassen, wodurch Zelladhäsion entweder ermöglicht oder verhindert werden kann. Darüber hinaus eröffnet die Kettenverlängerung der Polymerbürsten mit einem zweiten Block aus funktionalisierbarem Glycidylmethacrylat die Möglichkeit, spezifische biochemische Motive einzuführen und so zelluläre Reaktionen gezielt zu untersuchen. Insgesamt bietet die entwickelte Plattform neue Möglichkeiten, das Zellverhalten an Polymerbürsten-Grenzflächen detailliert zu analysieren.