Crosslinked (poly)vinylamine copolymers

Fischer, Thorsten; Pich, Andrij; Möller, Martin

doi:44298

Crosslinked (poly)vinylamine copolymers

Fischer, Thorsten^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thorsten Fischer, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04330
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1010797/files/1010797.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hydrogels (frei) ; poly(vinylamine) (frei) ; polymer chemistry (frei) ; rheology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Polymerisation von N-Vinylamiden und der anschließenden Gelierung. Dazu werden via Hydrolyse freie Amingruppen gebildet und die Präpolymere über Carbonat-Vernetzer geliert. Ferner wird eine Methode vorgestellt um inerte Oberflächen via Nitreninsertion mit primären Amingruppen zu versehen. Während Gele basierend auf Acrylamid, ein Konstitutionsisomer von N-Vinylformamid, Gegenstand vielfältiger Literatur sind, gibt es deutlich weniger Beispiele für Gelsystem basierend auf NVF. Gele basierend auf NVF haben allerdings den Vorteil über eine einfache Hydrolyse eine (maßgeschneiderte) Anzahl freier primärer Amingruppen zu bilden. Primäre Amingruppen können über vielfältige Reaktionen weiter funktionalisiert werden, um spezielle Eigenschaften zu erhalten (z.B. Zellbindungspeptide). Allerdings ist eine direkte Polymerisation zu Polyvinylamin (PVAm) nicht möglich, da das entsprechende Monomer, Vinylamin, nicht stabil ist. PVAm wird bisher schon u.a. in der Papier- und Textilindustrie eingesetzt. Ein auf PVAm basierendes Gel könnte aufgrund der freien primären Amingruppen vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten u.a. im medizinischen Bereich ermöglichen. Die Attraktivität der Gel- und Polymersysteme basiert auf der maßschneiderbaren Dichte von Amin-Gruppen, womit direkte Auswirkungen auf die erhaltenen Eigenschaften wie Ladungsdichte/pH-Responsivität, Vernetzungsgrad, Hydrophilie, etc. gesteuert werden können. Zudem erlaubt die Copolymerisation mit hydrophoben Monomeren die Darstellung thermoresponsiver Polymere und Gele. Diese gelten als attraktive Kandidaten z.B. für Wirkstofffreisetzungssysteme. Kapitel 2 bietet einen umfassenden Überblick über die Gelierung von PVAm. Dafür wird zunächst auf die neusten Entwicklungen eingegangen, um PVAm zu synthetisieren, insbesondere im Hinblick auf definierte Molekulargewichte und niedrige Polydispersiätsindices (PDI). Weiterhin werden Methoden vorgestellt, um thermoresponsive Copolymere von Polyvinylamid bzw. PVAm zu erhalten, bzw. welche untere kritische Löslichkeitstemperatur (LCST) in Abhängigkeit des molaren Anteils von N-Vinylamin bzw. NVF mit verschiedenen Co-Monomeren erreicht werden kann. Der zweite Teil von Kapitel 2 befasst sich mit den unterschiedlichen Gelierungsmethoden von PVAm. Für die Darstellung der Gele wird einerseits eine in-situ Gelierung bei der Polymerisation in Anwesenheit eines Vernetzers mit abschließender Hydrolyse um freie Amingruppen zu erhalten diskutiert. Andererseits besteht die Möglichkeit einer nachträglichen Vernetzung eines Präpolymers überfreie Amingruppen. Weiterhin werden auch thermoresponsive Gele betrachtet.viIn Kapitel 3 wird die Copolymerisation von NVF mit N-vinylacetamid (NVA) betrachtet. Die Bestimmung der Polymerisationsparameter beider Monomere zeigt eine statistische Verteilung. Ferner zeigt die Kinetik und Selektivität der Hydrolyse in Bezug auf NVF bzw. NVA, dass unter gewählten Bedingungen NVF komplett selektiv hydrolysiert wird. Die Amin-funktionellen Präpolymere werden mittels Phenylcarbonat-telechelic Polyethylenglykol in Anwesenheit einer Base vernetzt. Die erhaltenen Hydrogele werden in Abhängigkeit der Restanteile primärer Amine, der Basenkonzentration, und der Vernetzerkonzentration hinsichtlich ihres Quellungsverhaltens und rheologischer Eigenschaften hin untersucht. Es zeigt sich, dass mit diesem System sehr hohe Quellungsgrade realisiert werden können. In Abwesenheit einer Base führt die elektrostatische Anziehung zwischen den Urethangruppen zu einer physikalischen Vernetzung. Dieses wird in Kapitel 4 besprochen. Hierfür konnte eine kritische Gelierungskonzentration über rheologische Experimente bestimmt werden, die sich daraus ergibt, dass eine Vernetzung bei Konzentrationen unterhalb des maximalen Quellungsgrades kein durchgehendes Gel ergibt. Die physikalischen Wechselwirkungen wurden mittels NMR und UV-Vis Spektroskopie untersucht. Außerdem wurde gezeigt, dass die schnelle Gelierung zu Inhomogenitäten führt, die über aufeinanderfolgende Heiz- und Kühlzyklen homogenisiert werden können, was sich durch ein deutlich erhöhtes Speichermodul zeigt. Eine chemische Vernetzung konnte über NMR ausgeschlossen werden. In Kapitel 5 werden temperaturresponsive Copolymere und Hydrogele besprochen. Hierzu wird NVF mit N-isopropylacrylamid copolymerisiert (NIPAm) und anschließend hydrolysiert. Die Copolymerisationparameter zeigen dabei eine leicht schnellere Polymerisation von NVF, d.h. innerhalb eines Polymers gibt es einen Gradienten von hoher zu niedriger NVF-Konzentration. Durch NMR konnte gezeigt werden, dass unter den gewählten Bedingungen selektiv NVF hydrolysiert wird. Die LCST der Copolymere lässt sich hierbei über das NVF zu NIPAm Verhältnis einstellen, was via UV-Vis Spektroskopie, Rheologie und NMR gezeigt wird. Die anschließende Gelierung über 1,2-Bis(Phenylcarbonat)-Ethylenglykol ergibt temperaturresponsive Hydrogele. Diese werden über UV-Vis Spektroskopie, Rheologie und NMR charakterisiert. Dabei wird ein two-state model angewendet, um den Phasenübergang zu beschreiben. In Kapitel 6 werden chemisch inerte Oberflächen, d.h. Polymethyl-1-penten (TPX), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polytetrafluoroethylen (PTFE) mit einer dünnen Hydrogelschicht oberflächenfunktionalisiert. Dazu wird ein PVAm basiertes Copolymer mit N-Succinimidyl-4-azidotetrafluorobenzoat funktionalisiert. Das vorhandene Azid reagiert unter UV-Licht zu einem hochreaktiven Nitrene. Diese können u.a. in die C-H Bindung viiinsertieren, wodurch eine stabile kovalente Bindung an die die aliphatischen und überraschenderweise auch an die PTFE Oberflächen erreicht wird. Ausgiebige Untersuchungen des Benetzungsverhalten der behandelten Oberflächen mit Wasser zeigen, dass die Oberflächen hydrophylisiert worden sind. Dynamische Kontaktwinkelmessungen mit der Wilhelmy-Waage legen hierbei nahe, dass die Polymerketten die Möglichkeit einer ReOrientierung haben, d.h. das hydrophobe Polymerrückgrat ist in Luft nach außen gerichtet und dreht sich nach Wasserkontakt nach innen. Dieser Vorgang ist komplett reversibel. Folglich kann man die so funktionalisierten Oberflächen als amphiphil bezeichnen. Diese Arbeit bildet damit die Grundlage um chemisch inerte Oberflächen zu funktionalisieren um zum Beispiel die mechanischen Eigenschaften von PTFE mit Zellbindungspeptiden oder Wachstumshormonen/Medikamenten auszustatten.

This thesis deals mainly with the polymerization of N-Vinylamides and their subsequent gelation. Therefore, free amines are generated by hydrolysis of the pre-polymers, which are subsequently crosslinked by carbonate-based crosslinkers. Moreover, a method is presented to decorate inert surfaces with primary amin groups by nitren insertion. While Gels based on acrylamide, a constitution isomer of N-vinylformamide (NVF), is subject of manifold literature, examples of gel systems based on NVF are scarce. Nevertheless, gel systems based on NVF have the advantage of a (tailored) number of free primary amine groups via simple hydrolysis. Primary amine groups can be further functionalized by numerous reactions to gain specific properties, e.g. cell binding sequences. Thus, PVAm based gels can find entrance in medical applications. In general, the attractiveness of PVAm based systems is caused by the tailorable number of primary amine groups which in turn influence properties such as charge density/pH responsiveness, crosslinking density, hydrophilicity, etc. However, a direct polymerization to poly(Nvinylamine) (PVAm) is not possible, since the respective monomer, vinyl amine, is not stable. Therefore at least two step synthesis is necessary including a hydrolysis step. In Chapter 2, the latest methods are summarized to synthesize PVAm, especially with focus to defined molecular weights and a low polydispersity index. Moreover, methods are introduced to obtain thermoresponsive copolymers of polyvinlamide/PVAm. It is demonstrated how the lower critical solution temperature (LCST) can be tailored by the molar fraction of VAm or NVF with different co-monomers. The second part of Chapter 2 deals with the different gelation methods of PVAm. The synthesis of the gels is on the one hand discussed via an insitu gelation in the presence of a crosslinker during the polymerization with subsequent hydrolysis and on the other hand via the formation of prepolymers which are hydrolyzed and subsequently crosslinked via the free amine groups. Furthermore, thermoresponsive gels are presented. In Chapter 3 the copolymerization of NVF with N-vinylacetamide (NVA) is shown. The copolymerization parameters of both monomers reveals a statistical distribution. Further show the kinetics and the selectitivity of the hydrolysis with respect to NVF and NVA that NVF is hydrolyzed completely under defined conditions. The amin-functional prepolymers are crosslinked by phenylcarbonate telechelic poly(ethylene glycol) (PEG-PC) in presence of a base. The formed hydrogels are characterized by their swelling ratio and rheological ixproperties in dependence on the concentration of primary amines, the concentration of the base, and the concentration of the crosslinker. It is shown that with this gel system very high swelling ratios can be realized. In absence of a base leads the electrostatic interaction between the urethane groups to physical crosslinking. These are discussed in Chapter 4. The critical gelation concentration is determined via rheology. The physical interactions were examined by NMR and UV-Vis spectroscopy. Furthermore, it is shown, that the fast gelation leads to inhomogenities, which could be cured by subsequent heating/cooling cycles as revealed by a significant increase of the storage modulus. A possible chemical crosslinking-reaction is ruled out by NMR. In chapter 5 thermoresponsive copolymers and hydrogels are prepared. Therefore, NVF is copolymerized with N-isopropylacrylamide (NIPAm) und subsequently hydrolyzed. The copolymerization parameters reveal a slightly faster polymerization of NVF, which means within a polymer chain there is a gradient from a NVF rich to a NVF poor regime. NMR shows, that NVF can be selectively hydrolyzed under defined conditions. The LCST can be tailored via the ratio of NVF to NIPAm, what is shown in rheology and UV-Vis spectroscopy. The gelation via 1,2-bis(phenylcarbonate)-ethylene glycol yields in thermoresponsive hydrogels. These are characterized by NMR, UV-Vis spectroscopy, and rheology. A two-state model is applied to describe the phase transition. In Chapter 6 the surface of chemically inert foils, that means polymethyl-1-penten (TPX), poly(vinylidene fluorid) (PVDF), and poly(tetrafluoro ethylene) (PTFE) are functionalized with a thin hydrogel layer. Therefore a copolymer based on PVAm is functionalized with Nsuccinimidyl-4-azidotetrafluoro benzoate. The azide reacts to a highly reactive nitrene under UV light. These nitrenes can insert in e.g. a C-H bond leading to a stable covalent binding to the aliphatic and surprisingly also PTFE surfaces. Thorough investigations of the wetting behavior of the treated surfaces show, that the surfaces are hydrophilized. Dynamic contact angle measurements with the Wilhelmy balance suggest that the polymerchains can reorientate, which means that the hydrophobic polymer backbone is directed to the outside while in contact with air turning to the inside while in contact with water. This process is reversible. Consequently, the treated surfaces are amphiphile. This work might be the base to functionalize chemically inert surfaces to combine e.g. the mechanical properties of PTFE with cell recognition sequences, growth factors, drugs, and so on and so forth.

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