Spatially-resolved surface initiated controlled radical polymerization of antibiofouling brushes

Vorobii, Mariia; Herrmann, Andreas; Rodriguez-Emmenegger, César

doi:HT030970473

Spatially-resolved surface initiated controlled radical polymerization of antibiofouling brushes = Räumlich aufgelöste oberflächeninitiierte, kontrollierte radikale Polymerisation von Antibiofouling-Bürsten

Vorobii, Mariia^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Mariia Vorobii

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
Herrmann, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Rodriguez-Emmenegger, César (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01441
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1004444/files/1004444.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
antifouling coatings (frei) ; controlled radical polymerization (frei) ; polymer brushes (frei) ; surface modification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Medizinische Geräte und Implantate haben die Gesundheitsversorgung erheblich vorangebracht und die Behandlungsergebnisse für Patienten verbessert. Die Biokompatibilität mit der biologischen Umgebung stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Auf molekularer Ebene beginnt dieses Problem häufig mit einer unspezifischen Proteinadsorption, die zu unerwünschten Reaktionen wie der Aktivierung der Blutgerinnungskaskade und der Bildung von Biofilmen führt. Dies kann die Funktionsweise von medizinischen Geräten beeinträchtigen und ein Risiko für die Gesundheit der Patienten darstellen. Daher ist die Entwicklung wirksamer Antifouling-Beschichtungen entscheidend, um die Biokompatibilität zu verbessern und eine sichere sowie zuverlässige Leistung von medizinischen Produkten und Implantaten zu gewährleisten. Die vielversprechendsten Antifouling-Beschichtungen sind derzeit „gepfropfte“ Polymerbürsten, die mehrere physikalische Barrieren gegen die Adsorption bieten. Ihre Wirksamkeit hängt jedoch von der präzisen Steuerung des Polymerisationsprozesses ab, was zu Beginn dieser Doktorarbeit eine zentrale Herausforderung darstellte. In dieser Arbeit steht die Entwicklung einer neuen „lebenden“ oberflächeninitiierten Polymerisationsmethode für die Synthese hydrophiler Antifouling-Polymerbürsten im Mittelpunkt. Die photoinduzierte lebende radikalische Polymerisation mit Einzelelektronentransfer (SET-LRP) in Lösung wurde für die oberflächeninitiierte Polymerisation optimiert und ermöglichte eine deutlich verbesserte Kontrolle über den Polymerisationsprozess mit lediglich Spuren eines Kupferkatalysators. Diese Arbeit beschreibt eine schrittweise Optimierung der Polymerisationsprotokolle, beginnend mit Acrylaten und abschließend mit den anspruchsvolleren zwitterionischen Methacrylamiden. Die entwickelten Methoden ermöglichen die kontrollierte Polymerisation von über 20 verschiedenen Monomeren. Insbesondere wird zum ersten Mal über die kontrollierte Polymerisation von N-(2-Hydroxypropyl)-Methacrylamid (HPMA), Sulfobetainmethacrylat (SBMA), Phosphorylcholinmethacrylat (PCMA) und Carboxybetainmethacrylamid (CBMAA) berichtet. Der lebendige Charakter der Polymerisation wurde durch die lineare Zunahme der Polymerdicke über die Zeit, die erfolgreiche Reinitiierung der Polymerketten und die Bildung eines Diblock-Copolymers bestätigt. Darüber hinaus wurde die Möglichkeit der Strukturierung von Oberflächen mit Licht durch Einschränkung des Bestrahlungsbereichs mit einer Schattenmaske untersucht. Neben der Entwicklung von oberflächeninitiierter Polymerisationstechniken untersuche ich die Anwendung von Polymerbürsten zur Herstellung funktioneller Antifouling-Beschichtungen. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung bürstenbeschichteter Mikropartikel, die darauf ausgelegt sind, Lipopolysaccharide (LPS) aus Blutplasma zu entfernen. Als Endotoxin in der äußeren Membran gramnegativer Bakterien kann LPS starke Immunreaktionen auslösen, die zu Sepsis und Entzündungen führen können, weshalb seine Entfernung aus dem Blutkreislauf entscheidend macht. Polymerbürsten aus Poly(HPMA-co-CBMAA) wurden auf Poly(glycidylmethacrylat)-Mikropartikel aufgepfropft und mit Polymyxin B (PMB) funktionalisiert, einem Antibiotikum, das spezifisch an LPS bindet und es neutralisiert. Diese Studie zeigte die Machbarkeit der Herstellung funktioneller Mikropartikel mit einer minimalen Menge an Katalysator, während Endotoxine effektiv aus Blutplasma entfernt wurden. Zusätzlich wird in einem kleineren Abschnitt dieser Arbeit die Verwendung von Polymerbürsten bei der Entwicklung von Affinitäts-Biosensoren zur Quantifizierung spezifischer Analyten und von Mikroarrays für die selektive Erfassung von Makrophagen hervorgehoben. Schließlich wird in dieser Arbeit die Entwicklung einer Kill&Repel-Beschichtungen beschrieben, die nicht nur die Adsorption von Proteinen verhindert, sondern auch Bakterien bei direktem Kontakt abtötet. In dieser Beschichtungsstrategie wurden die Antifouling-Eigenschaften von Polymerbürsten mit antimikrobiellen Peptiden kombiniert. Dafür wurden hierarchische Polymerbürsten mit einer Antifouling-Grundschicht und einer funktionellen Deckschicht verwendet. Das synthetische antimikrobielle Peptid Pep19-2.5 wurde als aktiver Wirkstoff eingesetzt und zeigte eine signifikante Wirkung bei der Hemmung der Biofilmbildung von Staphylococcus aureus, während die Biokompatibilität mit menschlichen Zellen erhalten blieb. Darüber hinaus wurde ein alternativer Ansatz untersucht, bei dem ultradünne, oberflächengebundene Hydrogelbeschichtungen anstelle von Polymerbürsten als Plattform für die Herstellung von Kill&Repel-Beschichtungen verwendet wurden. Alles in allem präsentiert diese Arbeit einen umfassenden Ansatz zur Reduktion des Proteinfoulings und der bakteriellen Besiedlung auf medizinischen Geräten. Durch die Entwicklung eines robusten SET-LRP-Protokolls und der Herstellung fortschrittlicher Polymerbürstenbeschichtungen legt diese Arbeit den Grundstein für effektivere und vielseitigere Antifouling-Technologien mit Anwendungsbereichen, die von Biosensoren und Medikamentenabgabesystemen bis hin zu implantierbaren medizinischen Geräten reichen.

Medical devices and implants have significantly advanced healthcare and improved patient outcomes. However, they continue to face the challenge of imperfect biocompatibility with the surrounding biological milieu. At the molecular level, this issue often begins with nonspecific protein adsorption, leading to adverse reactions such as activation of the coagulation cascade and biofilm formation, which can compromise device function and pose risks to patient health. Therefore, developing effective antifouling coatings is essential to enhance biocompatibility and ensure the safe and reliable performance of medical devices and implants. The most promising antifouling coatings to date are "grafted-from" polymer brushes, which provide several physical barriers against adsorption. However, their performance depends on the precise control of the polymerization process, which was a key challenge at the start of this doctoral research. This thesis primarily focuses on developing a new “living” surface-initiated polymerization method for the synthesis of hydrophilic antifouling polymer brushes. Photoinduced single-electron transfer living radical polymerization (SET-LRP) in solution was optimized for surface-initiated polymerization, enabling a significant improvement in control over the polymerization process and drastically reducing the required copper catalyst concentration from milligram levels to just a few parts per billion (ppb). This thesis outlines a step-by-step optimization of polymerization protocols, beginning with acrylates and concluding with the more challenging zwitterionic methacrylamides. The developed methods enable controlled polymerization of over 20 different monomers. In particular, the controlled polymerization of N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide (HPMA), sulfobetaine methacrylate (SBMA), phosphorylcholine methacrylate (PCMA), and carboxybetaine methacrylamide (CBMAA) was reported for the first time. The living nature of the polymerization was confirmed by a linear increase in polymer thickness over time, successful reinitiation of polymer chains, and the formation of a diblock copolymer. Furthermore, the ability to pattern surfaces using light was evaluated by restricting the irradiation area with a shadow mask. Alongside the development of surface-initiated polymerization techniques, I explored the application of polymer brushes for the preparation of functional antifouling coatings. The focus was to develop brush-coated microparticles designed to scavenge lipopolysaccharides (LPS) from blood plasma. As an endotoxin present in the outer membrane of Gram-negative bacteria, LPS can trigger severe immune responses that may lead to sepsis and inflammatory reactions, making its removal from the bloodstream critical. Polymer brushes composed of (poly(HPMA-co-CBMAA) were grafted onto poly(glycidyl methacrylate) microparticles and functionalized with polymyxin B (PMB), an antibiotic that specifically targets and neutralizes LPS. This study demonstrated the feasibility of producing functional microparticles using a minimal amount of catalyst, while effectively scavenging endotoxins from blood plasma. Additionally, a smaller section of this thesis explores the use of polymer brushes in developing affinity biosensors for targeted analyte quantification and microarrays for the selective capture of macrophages. This thesis concludes with the development of a Kill & Repel coating that not only prevents protein and cell adhesion but also kills bacteria upon direct contact. This innovative strategy combines the antifouling properties of polymer brushes with the bactericidal effects of antimicrobial peptides. Hierarchical polymer brushes, featuring an antifouling base layer and a functional top layer, were functionalized with the synthetic antimicrobial peptide Pep19-2.5 as the active agent. Pep19-2.5 demonstrated high efficacy in inhibiting Staphylococcus aureus biofilm formation while maintaining compatibility with human cells. Additionally, an alternative approach was investigated, using ultra-thin surface-attached hydrogel coatings as a platform for Kill & Repel applications instead of polymer brushes. In summary, this thesis presents a comprehensive approach to overcoming the challenges of protein fouling and bacterial colonization on medical devices. Through the development of a robust SET-LRP protocol and the creation of advanced polymer brush coatings, this work lays the foundation for more effective and versatile antifouling technologies, with applications ranging from biosensors and drug delivery systems to implantable medical devices.

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