Design, Synthesis and Characterization of Phosphodiester Hydrogels towards Biomedical Applications

Abstract

Phosphodiester-based hydrogels are a fascinating class of materials, which have a wide range of applications in the biomedical sciences due to their wide biocompatibility. In this thesis, a novel precursor approach towards phosphodiester hydrogels has been explored. The method features easy synthesis and wide tunability of the final material by the use of simple free radical polymerizations followed by a deprotection step dependent on the chosen phosphodiester precursor. In Chapter 1, the subject of hydrogels is introduced and their use in biomedical applications and various classifications are discussed. The various synthetic approaches towards phosphorylated and phosphodiester-based materials are elaborated and their advantages in materials for biomedical applications are reviewed. The relevant organophosphorus chemistry is introduced. In chapter 2 a base-labile phosphotriester methacrylate cross-linker is developed. Two synthetic approaches are presented, the first based on phosphorus oxychloride and the second on phosphoramidite chemistry. The cross-linker is polymerized and the deprotection and washing protocols are optimized to yield a phosphodiester hydrogel. Solid-state phosphorus NMR spectroscopy is used for the optimization of the elimination process. The number of washing steps is optimized to remove DMSO, the polymerization solvent, as much as possible. The gels are shown to be a suitable drug release matrix by using fluorescent dyes as model compounds. Porcine smooth muscle cells are shown to thrive in the hydrogel; and it shows a high degree of compatibility with blood hinting at the material’s suitability for future biomedical applications. In chapter 3 the applicability of the cross-linked precursor polymer route towards phosphodiester hydrogels is extended to gels which can be deprotected thermally by heating the gel to 60°C in phosphate-buffered saline to enable for example the incorporation of sensitive biomolecules which may enhance attachment or proliferation of various cell types. Gels are again analyzed using solid-state NMR to determine the extent of phosphodiester degradation and the removal of DMSO. In chapter 4 some phosphorus-containing molecules relevant to this work are investigated in more detail using proton, carbon and phosphorus NMR in combination with various decoupling modes. In Chapter 5, copolymer phosphodiester hydrogels prepared from the crosslinker described in chapter 2, together with 2-hydroxyethyl methacrylate in several concentrations, are analyzed with T1 and T2 nuclear magnetic resonance relaxometry to gain insight into their structure and molecular mobility. Results show that the gels are homogeneous, and that the molecular mobility of the hydrogel can be tuned by modifying the solvent and comonomer content. In chapter 6 the rheological properties of phosphodiester-based hydrogels are probed using dynamic mechanical analysis. A comparison is made between various thermal and base-eliminated precursors, DMSO and ethanol/water polymerization solvents, and copolymers with methyl methacrylate. The addition of MMA, a less hydrophilic monomer, was able to significantly increase the mechanical strength of the gel. Calcium ions and the use of ethanol/water as a (worse) solvent for polymerization likewise provide mechanisms to reinforce the gel. In chapter 7 the possibility to use Atherton-Todd chemistry as a surface functionalization tool is explored by modifying silicon samples with a phosphodiester hydrogel layer. In chapter 8 acrylate-based cross-linkers are explored towards the synthesis of linear polymers (and possibly several other structures) using thiol-ene reactions. The synthetic challenges of acrylates compared to methacrylates are briefly discussed. In chapter 9 some future works are discussed based on the phosphotriester cross-linkers developed in this work.

Fosfodiester-gebaseerde hydrogels vormen een fascinerende klasse van materialen met brede toepasbaarheid in de biomedische wetenschappen als gevolg van hun brede compatibiliteit met biologische systemen. In deze thesis is een nieuwe precursorroute ontwikkeld om fosfodiester-gebaseerde hydrogels te synthetiseren. De methode gebruikt eenvoudig te synthetiseren monomeren en de resulterende materialen kunnen eenvoudig worden aangepast door het gebruik van eenvoudige vrije radicalaire polymerisaties. Deze worden dan gevolgd door een ontschermingsstap in functie van de gekozen fosfodiester precursor. In hoofdstuk 1 worden de verschillende klassen van hydrogels en hun biomedische toepassingen geïntroduceerd. Verder worden de verschillende bestaande synthetische routes beschreven om fosforhoudende materialen te synthetiseren, en de voordelen van fosforhoudende materialen in biomedische toepassingen worden besproken. De relevante organofosforchemie wordt geïntroduceerd. In hoofdstuk 2 wordt een base-labiele fosfotriester dimethacrylaat cross-linker geïntroduceerd. Deze cross-linker wordt gesynthetiseerd via twee verschillende routes. Na polymerisatie wordt het gecrosslinkte materiaal ontschermd en gewassen om sporen van het polymerisatiesolvent te verwijderen. Deze stappen worden geoptimaliseerd op basis van info bekomen via vaste stof-NMR. Het vermogen van deze gel om bepaalde stoffen gecontroleerd vrij te geven wordt aangetoond met fluorescerende modelverbindingen. Gladde spiercellen van varkens vermeerderen zich in de hydrogel; en deze toont eveneens een hoge mate van compatibiliteit met bloed. Dit illustreert de hoge mate van biocompatibiliteit en doet vermoeden dat het materiaal zeer geschikt is voor biomedische toepassingen. In hoofdstuk 3 wordt de toepasbaarheid van de gecrosslinkte precursorpolymeerroute voor de synthese van fosfodiester hydrogels uitgebreid door gebruik te maken van een schermgroep die verwijderd kan worden door te verwarmen in een bufferoplossing in plaats van d.m.v. een sterke base. Dit zou toelaten om gevoelige biomoleculen zoals eiwitten in de hydrogel in te bouwen die zouden kunnen bijdragen aan de hechting of proliferatie van sommige celtypes. Gels werden wederom geanalyseerd met vaste stof-NMR om de degradatie van de cross-links en het verwijderen van DMSO te optimaliseren. In hoofdstuk 4 worden enkele fosforhoudende moleculen in meer detail bestudeerd met proton, koolstof en fosfor-NMR en verschillende ontkoppelingstechnieken. In hoofdstuk 5 worden fosfodiester hydrogel copolymeren met hydroxyethyl methacrylaat geanalyseerd door middel van T1 en T2 NMR relaxometrie om inzicht te bekomen in hun structuur en moleculaire mobiliteit. In hoofdstuk 6 worden de rheologische eigenschappen van fosfodiestergebaseerde hydrogels onderzocht met dynamische mechanische analyse (DMA). Materialen gebaseerd op thermische en base-geëlimineerde precursoren gepolymeriseerd in DMSO dan wel ethanol/water evenals copolymeren met methyl methacrylaat worden met elkaar vergeleken. Het toevoegen van MMA, een minder hydrofield monomer, resulteerde in hydrogels met hogere mechanische eigenschappen. Het impregneren met calciumionen en het gebruik van ethanol/water als (slechter) solvent voor de polymerisatie resulteerde eveneens in robuustere gels met hogere mechanische eigenschappen. In hoofdstuk 7 wordt de mogelijkheid onderzocht om de Atherton-Todd reactie te gebruiken om silicium oppervlakken te modificeren met een dunne laag fosfodiester-hydrogel. In hoofdstuk 8 wordt de mogelijkheid onderzocht om acrylaat-gebaseerde fosfodiester cross-linkers te synthetiseren met oog op het gebruik van thiol-een reacties om, onder andere, lineaire structuren te synthetiseren. In hoofdstuk 9 worden enkele mogelijke toekomstige onderwerpen voor verder onderzoek naar deze fascinerende materialen besproken