Self-assembled bionanoparticle polymer conjugates for building soft composite membranes

Mougin, Nathalie Céline; Böker, Alexander

doi:910021608

Self-assembled bionanoparticle polymer conjugates for building soft composite membranes = Anordung von Bionanopartikel-Polymer-Konjugaten für den Abbau von weichen Komposit-Membranen

Mougin, Nathalie Céline

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nathalie Céline Mougin

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang153 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Böker, Alexander (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-05-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32899
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63095/files/3289.pdf

Einrichtungen

RWTH Aachen (hsbk000000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ferritin (Genormte SW) ; Membran (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; horse spleen ferritin (frei) ; PNIPAAm (frei) ; ATRP (frei) ; self-assembly (frei) ; membrane (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Dieses Projekt konzentrierte sich auf den Aufbau intelligenter, nanoporöser Membranen durch die Anordnung von Bionanokonjugaten. Horse Spleen Ferritin wurde als Modell protein gewählt, um an dessen Gerüst thermo-responsive Polymere wie Poly-(N-isopropylacrylamid) (PNIPAAm)mittels grafting from-Technik aufzupolymerisieren. PNIPAAm ist als thermo-sensitives Polymer hinreichend bekannt und zeigt eine LCST von 32±C. Nach der Entwicklung einer kontrollierten Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP)-Methode von NIPAAm in Wasser bei niedriger Temperatur, konnte die Polymerisation von NIPAAm ausgehend von der Ferritinoberfläche (grafting from-Technik) verwirklicht werden. Die grafting from-Methode setzt sich aus zwei Schritten zusammen: Ferritin wird durch die Kupplung des ATRP Initiators (N-hydroxysuccinimid-aktivierte 2-Bromisobuttersäure) an die 72 zugänglichen epsilon-Amino-Endgruppen entlang der Ferritin- Polypeptidketten in einen Makroinitiator umgewandelt. Anschließend erfolgt die Polymerisation von NIPAAm ausgehend von der Ferritin-Oberfläche. Das grafting from erlaubt die Modifikation einer Mehrzahl der Amino-Funktionalitäten des Ferritins, so dass die anschließende Polymerisation zu einer höheren Dichte der Ketten an der Oberfläche führt. Die Bedingungen für diese Reaktionen müssen aufgrund der Anwesenheit des Proteins sehr mild sein. Da Ferritin Aggregate bildet und diese den Polymerisationsprozess negativ beeinflussen, bestand die Herausforderung darin, monomere Konjugate mit niedriger Polydispersität herzustellen. Die resultierenden Konjugate sind genau definiert und zeigen thermo-responsives Verhalten mit einer Tc von 31.5±C. Der Aufbau vonMembranen erfordert eine Vernetzung der Polymermatrix. Diese Vernetzung konnte durch eine statistische Copolymerisation von NIPAAm mit DMIAAm (2-(Dimethylmaleimido)-N-ethylacrylamid), einem Photovernetzer, ermöglicht werden. Der erwähnte Vernetzer besitzt eine Maleimid-Funktionalität, die, aktiviert durch UV-Bestrahlung in Gegenwart eines Thioxanthones als Sensibilisator, in der Lage ist, Cyclobutanringe zu bilden. Der Photovernetzer wird vollständig in das Copolymer eingebunden und verringert die Phasenübergangstemperatur in Abhängigkeit von seinem Einbauverhältnis. Die Anordnung der Ferritin-P(NIPAAm-DMIAAm)-Konjugate an einer Fest-Flüssig- Grenzfläche auf einem Glimmerplättchen oder Silizium-Wafer führt zur Ausbildung eines dünnen, homogenen Polymer-Protein-Films. Nach Vernetzungen mittels UV-Strahlung können die Proteine im Polymerfilm chemisch denaturiert werden und ergeben monodisperse Poren von 2nm Tiefe. Solche Konjugate können auch an flüssigen Grenzflächen angeordnet werden. Oberflächenspannungsmessungen haben hierbei eine dramatische Erniedrigung der Grenzflächenspannung ergeben. Anschließende Vernetzung der Aggregate liefert robuste, poröse Mikrokapseln. Ferritin-P(NIPAAm-DMIAAm)-Konjugaten sind interessante Bausteine, die durch ihre schaltbaren Eigenschaften zum Aufbau von funktionalen und variablen nanoporösen Membranen und Kapseln beitragen.

This project was focused on building a smart nanoporous membrane based on an assembly of bionanoconjugates. Horse spleen ferritin was chosen as a model protein scaffold to graft thermoresponsive polymers as Poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAAm) to it using the grafting from approach. PNIPAAm is a well known thermo-responsive polymer exhibiting a LCST of 32±C. After developing the well controlled atom transfer radical polymerization (ATRP) of NIPAAm in water at low temperature, the in-situ grafting of PNIPAAm from the ferritin was achieved. The grafting from approach consisted of two steps: the modification of ferritin into a macro-initiator by coupling the N-hydroxysuccinimide activated 2-bromo isobutyric acid ATRP initiator to the 72 addressable epsilon-amino end groups around ferritin polypeptide chains. It allows the modification of the majority of the amino sites of ferritin and induces a polymerization resulting in a higher grafting density. The condition of this chemistry has to be mild to prevent the denaturation of the proteins. The challenge was the preparation of monomeric conjugates with low polydispersity as ferritin aggregates in solution and perturbs the polymerization process. The resulting conjugates are well defined and show a thermo-responsive behavior with a Tc of about 31.5 ±C. The building of the membrane requires the crosslinking of the polymer matrix. The crosslinking was realized by a random copolymerization of NIPAAm with the monomer DMIAAm, (2-(dimethylmaleimido)-N-ethylacrylamide), a photocrosslinker. This photocrosslinker hosts a maleimide group able to form cyclobutane rings activated of UV irradiation and a sensitizer thioxanthone. The photocrosslinker is fully assimilated in the copolymer and decreases the lower critical solution temperature depending on its ratio. The assembly of the ferritin-P(NIPAAm-DMIAAm) conjugates at the solid-liquid interfaces on a mica sheet or silicon wafer creates a homogeneous thin polymer protein film. After crosslinking underUV irradiation while cooling the sample, the polymer matrix undergoes protein denaturation by the use of chaotropic agents and temperature to create nanopores in the membrane. The final membrane is a thin polymer film with monodisperse pores of about 16 nm of diameter and 2 nm depth carrying different functional groups. Such conjugates can also be assembled at the liquid-liquid interfaces forming porous micro-capsules as they reduce the interfacial tension and are able to stabilize oil droplets in solution. The ferritin-P(NIPAAm-DMIAAm) conjugates are interesting building blocks with adjustable properties able to produce functional and switchable nanoporous membranes and capsules.

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