Design of responsive and degradable supramolecular host-guest polymer nanostructures for therapeutic applications

Wei, Peng GND

<!--StartFragment -->In recent years, the fast development of the supramolecular host-guest interactions has attracted significant attention. Based on the dynamic interaction between macrocyclic structures and a variety of matching guests, two chemical entities can be conveniently bond together without the need for further reactions. These features also facilitate straightforward modifications of polymers to create more advanced materials with tunable properties or additional functionalities. Most commonly cyclodextrins have been used as supramolecular hosts and opened up exiting new opportunities in the field of polymer chemistry. More recently, a new generation of macrocycles, the pillar[n]arenes was established which not only broadened the range of guests but also allowed the facile modification of their exterior. The early reports on these materials certainly prove their potential, however several aspects concerning the building of polymer nanostructures based on such supramolecular host-guest complexes, as well as their therapeutic applications as smart nanocarriers remain unexplored. The presented thesis aims to investigate several strategies based on the above-mentioned interactions and materials. It is subdivided into chapters on (1) the formation of quasi-block copolymers that are constructed via host-guest interaction of water-soluble pillar[5]arene based polymers and guest modified hydrophobic polymers, which were assembled into nanoparticles, (2) the investigation of thermoresponsive polymers (PDMDOMA) modified with pillar[5]arenes to tune their LCST behavior and hydrolysis rate, (3) the formulation and characterization of degradable nanogels prepared from above the above mentioned thermoresponsive polymers for encapsulation and release of chemotherapeutic (doxorubicin: DOX) and, finally, (4) the integration of supramolecular host-guest interactions into nanogels for the tuning of encapsulation and release of DOX and the introduction of targeting units at the surface of these nanogels.

Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, eine Reihe an Strategien zu verfolgen, die auf den oben erwähnten Interaktionen und Materialien basieren. Sie gliedert sich in folgende Kapitel: (1) Die Bildung von Quasi-Blockcopolymeren, die durch Wirt-Gast-Interaktion von wasserlöslichen Polymeren auf Basis von Pillar[5]arenen und hydrophoben, mit Gastmolekülen modifizierten Polymeren aufgebaut werden, um Nanopartikel herzustellen, (2) die Untersuchung von thermoresponsiven Polymeren (PDMDOMA), die mit Pillar[5]arenen modifiziert sind, um ihr LCST- und Hydrolyseverhalten zu steuern, (3) die Herstellung und Charakterisierung von abbaubaren Nanogelen, die aus den oben genannten thermoresponsiven Polymeren hergestellt und für Verkapselung und selektive Freisetzung von Chemotherapeutika (z.B. Doxorubicin: DOX) verwendet werden sowie, (4) die Integration von supramolekularen Wirt-Gast-Wechselwirkungen in den entsprechenden Nanogelen zur Steuerung der Einkapselung und Freisetzung von DOX, sowie die Einführung von Targeting-Einheiten an der Oberfläche dieser Nanogele (Abbildung 6. 1).
In Kapitel 2.1 wurden amphiphile Quasi-Blockcopolymere durch Kombination von Pillar[5]aren-modifizierten hydrophilen Polymeren und Viologen-modifizierten Polycaprolactonen (Viologen-PCL) hergestellt. Stabilitätsmessungen der erhaltenen Nanostrukturen in Phosphatpuffer und Nährmedien ergaben, dass nur das schwach geladene Poly(N-acryloyl-N'-methylpiperazin) (PNAMP) unter den genannten Bedingungen stabile Nanostrukturen ergab. Unerwarteterweise wurden zwar größere, aber auch stabile Nanopartikel für das nicht modifizierte PCL erhalten, welches nicht in der Lage ist Wirt-Gast-Komplexe mit dem Pillar[5]aren-modifizierten PNAMP zu bilden. Beide Materialien reagieren aufgrund der tertiären Aminogruppen im PNAMP auf einen sinkenden pH-Wert. Interessanterweise zeigte der Vergleich beider Materialien, dass der enzymatische Abbau des PCL unter sauren Bedingungen im Falle des stabilen Wirt-Gast-Komplexes verlangsamt werden kann. Darüber hinaus ermöglichte eine Mischung von Viologen-modifiziertem mit nicht modifiziertem PCL eine Steuerung der Abbauraten innerhalb der Grenzen der reinen Materialien.

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