Synthese und Charakterisierung von 8 arm-Polyethylenglycol basierten Hydrogelen mittels Michael-Addition oder Click-Chemie für biomedizinische Anwendungen

Die erfolgreiche Synthese von Hydrogelen mit funktionalen Eigenschaften wie einstellbare mechanische Eigenschaften, chemischer Funktionalität und veränderbaren Degradationsverhalten hat zu großem Fortschritt im Feld des Gewebe-Engineering geführt. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung und der chemischen Vernetzungsprozedur können Hydrogele ihre mechanischen Eigenschaften, Morphologie, Degradationsverhalten, Netzwerkstruktur und biologischen Aktivität ändern. In diesem Rahmen sind die Hauptthemen dieser Arbeit die Entwicklung einer neuen Herstellungsmethode für Hydrogele, die Synthese von Hydrogelen mit kontrolierbaren funktionalen Eigenschaften, die Untersuchung der Rolle von der inorganischer Phase in Komposit Hydrogelen und die Untersuchung des Zellverhaltens und der Zytokompatibilität auf den neu entwickelten Hydrogelen. Die vorgestellte Arbeit ist in drei verschiedene Hauptpunkte unterteilt. Im ersten Punkt (Kapitel 2 und 3) werden die Hydrogele mittels Amine-type-Michael-addition-chemistry hergestellt um im Anschluss durch photopolymerisation stabilisiert zu werden. Das verlängert die Degradationszeit, notwendig für Zelltests. Die mechanischen Eigenschaften und das Degradationsverhalten der Gele ist dabei kontrolierbar und gezielt veränderbar. Des Weiteren wurde eine chemische Funktionalität eingeführt, welche erlaubt biologische Interaktion zu verändern bzw. lösliche Reagenzen in der Hydrogelmatrix zu transportieren und ggf. abzugeben. Zudem führt eine step-growth Polymerisation zu großén kristallinen Polymerstrukturen. Der zweite Punkt (Kapitel 4) befasst sich mit der in-situ Formation von Polyethylenglykol (PEG) – Kalziumphosphat (CaP) Komposit Hydrogelen und dem Einflussder inorganischen CaP Phase auf die Hydrogeleigenschaften. Zelladhäsionsuntersuchungen ergaben starke Affinität von Osteoblasten auf die untersuchten Komposit Hydrogele, welche folglich große Eignung für Gewebe-Engineering aufweisen. Der Dritte Punkt der Arbeit (Kapitel 5) beschäftigt sich ebenfalls mit Hydrogelen mit kontrollierbaren mechanischen Eigenschaften und Degradationsverhalten. Diese wurden aber mittels Click-Chemistry erstellt. Die Degradationszeit und mechanischen Eigenschaften können bis zur vollständigen Auflösung der jeweiligen Gele vorhergesagt werden. Diese einzigartigen Eigenschaften zeigen, dass diese degradierbaren Hydrogele geeignet zu sein scheinen um Zell/Proteintransport im Rahmen von weich-Gewebe-Reparatur Prozeduren erfolgreich zu gestalten.The successful engineering of hydrogels with functionality, tunable mechanical properties, and degradation rates has led to significant advances in the field of tissue engineering. Depending on the chemical composition and the method of crosslinking, hydrogels vary in their morphology, network structure, mechanical properties, degradation behavior and biological activities. The major themes pursued in this thesis are the development of technology to facilitate the fabrication of hydrogels with controlled properties and functionality, the role of inorganic phase in the composite hydrogel system, and the study of the cellular response and cytocompatibility to our developed hydrogels. The present work has been organized into three parts. In the first part (Chapter2-3), the hydrogels are prepared by amine-Michael type addition chemistry, and subsequently stabilized by means of additional photopolymerization to prolong the degradation time for cell test. The mechanical and degradation behavior of the gels have been adjusted in a controlled and tailorable fashion, and the functionality of gels is introduced, which allows biological motifs or soluble factors to be incorporated into the hydrogel matrices. Meanwhile, this step-growth polymerization method leads to long-ranged crystalline structure. The second part (Chapter 4) describes the in-situ formation of PEG-CP composite hydrogels, and the influence of inorganic CP phase on the gel properties. Cell adhesion test has confirmed the strong affinity between osteoblast and composite hydrogels containing CP phase, which is potentially used for the regeneration of bone tissue engineering. In the third part (Chapter 5), the hydrogel matrices with defined mechanical properties as well as tunable degradability have been created by click chemistry. Degradation time and the monitored mechanical properties of the hydrogels changed predictably as degradation proceeded until the gels reached complete degradation. These unique properties indicate that this degradable hydrogels are well suited for the applications in protein/cell delivery to repair soft tissue