Dendritic Oligoelectrolytes: Layer-by-Layer Assembly and Counter Ion Controlled Micelle Formation

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2010-07-02
Issue Year
2010
Authors
Rosenlehner, Karin
Editor
Abstract

In the presented work the assembly and degradation behavior of hierarchically ordered multilayer films self assembled by layer-by-layer (LbL) deposition of oligoelectrolytes was examined. The LbL-concept was extended to molecular oligoelectrolytes with defined structures and distinct number of charges. These building blocks are perfectly monodisperse molecules and their structure and properties can be varied within wide boundaries. This offers the opportunity to tailor them for specific demands and the composition of custom-made multilayer systems is thus possible. The systematic observation of both assembly and disassembly of the oligoelectrolyte multilayers (OEMs) was accessible through the establishment of a reporter electrolyte concept. Hereby chromophore containing building blocks served as photoactive components in the films and allow for the surveillance of the assembly on transparent substrates like silica glass through UV/Vis spectroscopy. It was possible to assemble multilayer films that are exclusively built of molecular oligoelectrolytes and without any polymeric compounds usually used in literature. Thereby, a strictly linear correlation between the number of layers and absorption at an ascertained wavelength could be observed. The formation of monomolecular layers could be proven by calculations. Moreover, the degradation behavior of the OEMs was investigated for the first time. The time-dependent dissolution of layers was traced indirectly by analyzing the surrounding solution. The time schedule of release can be managed through the number of layers assembled on top of the reporter layer. Assembling of more layers on top of the reporter leads to a slower ascent of reporter concentration in solution. Over a longer period of time a relatively low dose of reporter molecules is set free. In contrast, multilayer systems with reporter layers on top release high concentrations of reporter molecules in short time. Two different mechanisms of degradation proceed at the same time. The direct degradation is a slow process. It is accompanied by a second, fast release mechanism, probably caused by diffusion or reorganization processes within the layers. In order to test the ability as a potential drug delivery system, LbL self-assembled films of molecular oligoelectrolytes were used to modify titanium alloy surfaces. With regard to medical applications the in vitro behavior of the modified material was investigated. The TiAl6V4 (6% aluminium, 4% vanadium) material was treated in a LbL process with layers of molecular oligoelectrolytes. In order to investigate the influence of the components of the coating on osteoblastic cells proliferation and attachment of hFOB cells were observed. The degradation behavior of the OEMs was examined by optical spectroscopy. The obtained data reveal that the layer-by-layer coating was successfully assembled on the titanium surface and survives the essential steam sterilization process. The fluorescence signal in the cell culture medium increased strictly linear with increasing number of layers. Proliferation rates of the cells in the experimental groups did not differ significantly from each other which demonstrates the non-cytotoxic behaviour of molecular oligoelectrolytes.The fluorescent reporter component of the film was absorbed by osteoblastic cells. The LbL coated titanium sample turned out to be an efficient transporting and delivery system for film components into cells. Incorporated bioactive agents could be transported in an easy and effective way and a novel initial drug delivery system could be established. In the second part of the present work a series of new single-tail NEWKOME-dendritic surfactants with a maximum chain length up to 30 carbons was synthesized. Their assembling behavior was investigated by non invasive methods like conductivity measurements, (PGSE)-NMR spectroscopy and cryo-TEM microscopy. Special attention was drawn to the influence of alkalimetal counterions Li+, Na+, and K+ to the aggregation strength of the different amphiphiles by monitoring the cmc. It could be demonstrated that compared with lithium and potassium the presence of sodium as counterion leads to a considerable stabilization of the corresponding micelles themselves but additionally induces very specific micelle-micelle interactions, leading to the formation of highly ordered superstructures. Through strongly bound contact ion multiplets sodium salts form spherical micelles already at lower pH’s, were potassium derivatives only form fiber-like aggregates. At higher pH the sodium amphiphiles form highly ordered mono-layers with densely packed, hexagonal ordered micelles. Molecular dynamics (MD)-simulations revealed the micelles to be specifically stabilized by sodium counterions relative to potassium ions. The studies showed that solely sodium prefers to form bridging RCO2-...Na+...RCO2- ion triplets.

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals der Aufbau und Abbau hierarchischer Mehrfachschichten aus monodispersen Oligoelektrolyten untersucht. Auf Grund ihrer Eigenschaften und Struktur können molekulare Oligoelektrolyten auf spezifische Anforderungen angepasst werden und erlauben dadurch den Aufbau von maßgeschneiderten Multischichtsystemen. Zur Analyse der Filme wurde das Konzept der Reporterelektrolyten entwickelt. Dieses erlaubte die sukzessive Beschichtung von transparenten Substraten wie Quarzglas mittels UV/Vis Spektroskopie effizient zu verfolgen. Die Reportermoleküle, z.B. hochgeladene Porphyrinderivate dienten als farbige Schichten innerhalb eines Multilayerverbands, die durch UV/Vis Spektren abgebildet werden konnten und damit erlaubten, das System vollständig zu analysieren. Es war erstmals möglich nachzuweisen, dass Schichtsysteme auch ausschließlich aus Oligoelektrolyten aufgebaut werden können, ohne die üblicherweise verwendeten Polymere einzubauen. Bei allen Beschichtungen wurde mit wachsender Anzahl der Schichten eine Zunahme der Absorption des Reporter-Chromophors beobachtet. Es bestand dabei eine lineare Korrelation zwischen der Anzahl der Schichten und der Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge. Durch Rechnungen konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei den einzelnen Schichten um monomolekulare Lagen handelt. Zusätzlich wurden Untersuchungen zum Degradationsverhalten der Multischichtsysteme durchgeführt. Die zeitliche Verfolgung dieses Ablöseprozesses erfolgte indirekt durch Analyse der umspülenden Lösung. Der zeitliche Ablauf des Freisetzungsprozesses kann durch die Anzahl der Schichten über der Reporterschicht gesteuert werden. Man kann durch den Schichtaufbau und die gezielte Positionierung der bioaktiven Spezies steuern, ob eine direkte Wirkung mit hoher lokaler Konzentration erzielt, oder durch langsame Freisetzung niedrigerer Dosen an Wirkstoff ein Langzeiteffekt hervorgerufen wird. Es wurde ebenfalls festgestellt, dass sich der Ablösevorgang aus zwei unterschiedlichen Prozessen zusammensetzt. Die direkte Freisetzung der Spezies erfolgt in einer langsamen Reaktion. Eine schnellere Reaktion, die wahrscheinlich durch Diffusion oder Reorganisationsprozesse hervorgerufen wird, konnte ebenfalls nachgewiesen werden. Um das Leistungsvermögen von layer-by-layer Beschichtungen als Wirkstofftransporter zu überprüfen wurde das in vitro Verhalten von LbL-modifizierten Implantatwerkstoffen aus Titanlegierungen untersucht. Die Oberfläche dieser TiAl6V4 (6% Aluminium, 4% Vanadium) Implantate wurde mit Hilfe der layer-by-layer-Technik beschichtet. Um den Einfluss der schichtbildenden Oligoelektrolyten auf Osteoblasten zu untersuchen wurden sowohl Zellproliferation als auch Adhäsion der Zellen bestimmt. Die erhalten Daten zeigen, dass auch auf Titan eine erfolgreiche Beschichtung mittels LbL-Technik möglich ist und die aufgebrachte Beschichtung den notwendigen Dampfsterilisationsprozess überdauert. Molekulare Oligoelektrolyten zeigen kein toxisches Verhalten gegenüber Osteoblasten. Durch Fluoreszenzmikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass der Fluoreszenz-Reporter von den Osteoblasten absorbiert wurde. Der Aufbau hierarchischer Schichten molekularer Oligoelektrolyten auf Titanoberflächen und deren kontrollierter Abbau konnte nachgewiesen werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine Reihe neuartiger „single-tail“ Amphiphile mit NEWKOME-dendritischer Kopfgruppe synthetisiert. Die maximale Kettenlänge belief sich dabei auf 30 Kohlenstoffatome. Das Aggregationsverhalten dieser Amphiphile wurde mit nicht-invasiven Methoden wie Leitfähigkeitsmessung, (PGSE)-NMR und cryo-TEM Mikroskopie untersucht. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf den Einfluss der Alkalimetallgegenionen Li, Na und K auf die Stabilität der Aggregate gelegt. Es konnte gezeigt werden, dass Natrium als Gegenion, im Gegensatz zu Lithium und Kalium, eine beachtliche Stabilisierung des entsprechenden micellaren Systems herbeiführt. Zusätzlich werden auch sehr spezifische intermicellare Wechselwirkungen hervorgerufen, die zur Ausbildung hochgeordneter Superstrukturen führen. Induziert durch stark gebunden Kontaktionen-Multipletts bilden die Natriumsalze der Amphiphile sphärische Micellen schon bei niedrigeren pH-Werten, während die Kaliumsalze nur fadenartige Aggregate ausbilden. Bei höheren pH-Werten bilden die Natrium-Amphiphile hoch geordnete Monolagen aus dicht gepackten, hexagonal angeordneten Micellen aus. Moleküldynamische (MD) Rechnungen haben gezeigt, dass die Micellen durch Natriumgegenionen eine spezifische Stabilisierung erfahren. Die Untersuchungen legen nahe, dass nur Natriumionen eine ausgeprägte Tendenz zur Ausbildung von RCO2-...Na+...RCO2- Ionen-Tripletts haben. Die Simulationen zeigen, dass die Anzahl der Kontaktionen-Tripletts, im Gegensatz zu einfachen Kontaktionenpaaren großen Einfluss auf die Aggregation hat. Letztere scheinen nicht ausreichend zu sein um stabile Aggregate hervorzurufen.

DOI
Document's Licence
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs