Functional Conjugated Polymers

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Konjuge polimerlerin optik, elektronik, diyot ve biyolojik alanlardaki artan umut verici uygulamaları nedeniyle önemli oranda bilimsel çalışma konjuge polimerlerin bir çok açıdan yeni uygulamalarını araştırmaya yönlendirilmiştir. Sayısız konjuge polimeler içinde polipara fenilenler ve politiyofenler, fotolimunesans, electrolimunesans, kuantum verimi ve termal kararlılık açısından en çok gelecek vaad eden polimer sınıfındadırlar. İletken polimerler yada sentetik metaller olarak adlandırılan konjuge polimerler sıradışı özellikleri nedeniyle birçok alanda temel malzeme haline gelmektedir. Ayrıca mükemmel iletkenlik, yüksek derecede mekanik dayanıklılık ve işlenebilirlik özellikleri ile öne çıkmaktadırlar. Konjuge polimerlerin biyomoleküller için mükemmel bir immobilizasyon yüzeyi olarak kullanımı, düşük maliyetli, istenen seviyede, kolay işlenebilen ve iletkenlik özelliklerine sahip etkili biyosensör sistemlerinin gelişiminde etkili olmuştur. Konjuge polimerler yüksek yüzey alanı, polimer film kalınlığının ayarlabilme avantajıyla uygun yüzey morfolojisi ve üzerinde kararlı bir enzim tutunma alanı sağlayabilmektedir. En son yapılan özgün çalışmalarda, üzerinde polipeptit, amince zengin ve suda çözünür gruplar içeren sentetik polimeler biyo-ilaç, ilaç taşıma, biyo mineralleşme, biyo konjugasyon ve doku mühendisliği alanlarında büyük ilgi görmektedir. Bu çeşit polimerlerin eşsiz özelliklerini dikkate alarak, bu tezde polipara fenilen ve politiyofen iskeleti üzerinde suda çözünür, amince zengin ve peptit içeren konjuge polimerler sentezledik. Bu tezin ilk bölümünde, polipeptit kulanarak biyolojik temelli yüzey dizayni için basit ve etkili bir yöntem gösterimektedir. Bu yöntem N-karboksianhidrid (NCA) hakla açılma polimerizasyonu ile tiyofen fonksiyonlu peptit makromonomer (T-Pala) sentezlendi ve elektropolimerzasyon ile son ürün elde edildi. Elde edilen politiyofen-g-polialanin (PT-Pala) isimli iletken polimer karakterize edilerek biyomolekul bağlanması için bir matriks olarak kullanıldı. Polimerin biyosensör uygulanabilirliği glikoz algılama yönteminde model enzim olan glikoz oksidaz (GOx) kullanılarak incelendi. Bu sistem farklı pH aralıklarında en iyi biyosensör cevapları incelenerek GOX enzimi için de uygun değerde maksinum değere sahip olduğu görüldü. Ayrıca polimer ve GOx enzimi hem kovalent bağlı hemde fiziksel bağlanma yöntemleri karşılaştırılarak incelendi. Dizayn edilen biyosensör sistemi 0.01–1.0 mM konsatrasyonda glikoz için çok iyi bir doğrulukta sonuç verdi.. Elde edilen biyokonjugasyon polimer sisteminin GOx ile sağladığı biyosensör özelliği literatürdeki diğer glukoz sensörü sistemlerle karşılaştırıldığında çok iyi değerlere sahip olduğu görüldü. Yüzey özellikleri SEM analiz yöntemi ile sadece politiyofen, politiyofen ve PT-Pala graft yapısı ve sadece PT-Pala içeren üç farklı yüzey ile incelendi. Elde edilen farklı yüzey sonuçları ve floresans mikroskobunda alınan görüntüler ile konjuge polimerin yüzey yapısı detaylı bir şekilde aydınlatıldı. Son olarak, sentezlenen T-Pala ve PT-Pala için antimikrobiyal aktivite disk diffuzyon metodu ile incelendi. Grafit yüzey üzerindeki PT-pala kaplama Gram pozitive bakterilerine karşı önemli derecede antibakteriyel özellik gösterdiği görüldü. İkinci bölümde, üzeride polypeptit (poli-L-lisine, PLL) ve hidrofilik poli(etilen glikol) (PEG) yan gruplari içeren çok fonksiyonlu konjuge polimer sentezi gösterilmektedir. Bu yaklaşım Suzuki kenetlenme reaksiyonu ve N-karboksianhidrid hakla açılma polimerizasyonunu içermektedir. İlk olarak, polipeptit makromonomer karşılık gelen monomer ve (2,5 dibromphenil) metilamine başlatıcısı kullanılarak NCA halka açılma polimerizasyonu ile sentezlendi. Daha sonra final polimer, peptit makromonomer, PEG makromonomer ve 1,4 benzendibronik acid ile Suzuki kenetlenme reaksiyonu kullanılarak sentezlendi. Aynı polimer farklı bir yöntem ile tekrar sentezlendi. Bu yöntemde ilk olarak (2,5-dibromfenil) metilamine, PEG makromonomer ve 1,4 benzendibronik acid kullanılarak Suzuki reaksiyonu ile sentezlendi. Daha sonra polimer üzerindeki primer amine grupları başlatıcı olarak kullanılarak NCA halka açılma polimerizasyonu ile polipeptit zinciri polimer üzerinde sentezlendi. Üçüncü bölümde, floresans konjuge polimer ile farklı bir biokonjugasyon uygulaması yapıldı. Suzuki kenetlenme polimerizasyonu ile sentezlenen, üzerinde primer amin ve PEG grupları içeren suda çözünür polipara fenilen konjuge polimer sentezlendi ve karakterize edildi. Daha sonra folik acid ile işaretlenen potansiyel hucre hedefli görüntüleme probu incelemesi için, HeLa ve A549 kanser hucreleri kullanıldı. Sitotoksisite tahlili polimerin hücrede herhangi bir toksik etki göstermediğini ortaya koydu. Ayrıca floresans resimleri gösterdi ki; FA reseptörünün hücre yüzeyindeki seviyesine bağlı olarak, FA ile konjuge PPP-NH2-g-PEG polimeri ile muamele edildiğinde floresans yoğunluğu HeLa hücrelerinde A549 hücrelerinden açık şekilde daha yüksektir. FA/PPP-NH2-g-PEG konjuge sistemi, FA receptör pozitif HeLa rahim ağzı kanser hücrelerinin spesifik olarak görüntülenmesinde biokonjuge sistem olarak başarıyla kullanıldı. Özet olarak, üzerinde polipeptit, suda çözünür grup, PEG, ve primer amin içeren kompleks yapıdaki çok fonksiyonlu konjuge polimerlerin sentezi, karakterizasyonu ve bazı biyouygulamaları başarıyla gerçekleştirildi. Bu çalışmalarda biyouygulamalarin temelini oluşturan peptit zincirlerinin sentezi NCA-ROP tekniği ile yapıldı. Polipeptit zinzirinin molekül ağırlığının ve yapısının kontrollu bir şekilde elde eilmesine olanak sağlayan bu teknik α-amino asitlerin üretan türevlerine dönüştürülmesi prensibine dayanmaktadır. Polimerizasyon çok farklı özelliklere sahip primer amin başlatıcılarla tek basamaklı mölekül içi halkalaşma reaksiyonu üzerinden yürümektedir. Bu çalışmada Suzuki kenetlenme ve eletropolimerizasyon reaksiyonlarına uygun fenil ve tiyofen bileşiklerinin primer amin içeren türevleri kullanıldı.The considerable role of conjugated polymers (CPs) in emerging synthetic bio-applications, optical, electronic, diodes, and display technologies, represents the promising way in which considerable endeavors have been directed towards the realization of many aspects of conducting organic polymers. Conducting polymers are known as “synthetic metals”, making them fundamental materials in many research fields because of their outstanding characteristics. They exhibit both excellent conductivity and high mechanical strengths and processability. The use of CPs as an excellent immobilization platform for biomolecules led to the development of efficient biosensors, which were easy to process, had the ability to conduct electricity at any desired level, had a low cost, and straightforward preparation techniques. CPs provide high surface area, adjustable morphology by arranging the thickness of the polymer film and offer extensive stability of the enzymes incorporated in them. Furthermore, these materials also facilitate structural and electronic modifications which can be used in detecting a target compound in any test solution. The polymer structure can be tuned to accomplish the desired properties, producing a sensitive and reproducible microenvironment for biological reactions to mimic the naturally occurring environments of the biological molecules. Among vast number of CPs, poly(p-pheneylene)s (PPP)s and polythiophenes (PT)s are the most promising class of polymer in terms of relatively high photoluminescence, electroluminescence quantum efficiencies and thermoxidative stability and so on. Conjugated structure of CPs can create excellent one-dimensional surface for energy transport of electrons and strong UV absorption. Especially, their fluorescence feature is one of the most susceptible to environmental change and this allows for eminent selectivity in signaling reporter group materials and provides advantages for CPs to be used in sensor technologies including pH sensors, temperature sensors and recently developed biosensors. Recent innovative strategies for the syntheses of functional polymeric structures bearing polypeptides, amino-rich and water soluble groups have received enormous interest in the fields of biomedicine, drug delivery, biomineralization, bioconjugations, and tissue engineering. Taking account of the unique advantages of these strategies, in this thesis, we focused on the combination of PPPs and PTs with polypeptide, amino and water soluble groups in the same conjugated backbone. In the first part of thesis, a simple and efficient approach for the electrochemical deposition of polypeptides as bio-based covering materials for surface design is described. The method involves N-carboxyanhydride (NCA) ring-opening polymerization from its precursor to form a thiophene-functionalized polypeptide macromonomer (T-Pala), followed by electropolymerization. The obtained conducting polymer, namely polythiophene-g- polyalanine (PT-Pala), was characterized and utilized as a matrix for biomolecule attachment. The biosensing applicability of PT-Pala was also investigated by using glucose oxidase (GOx) as a model enzyme to detect glucose. The designed biosensor showed a very good linearity for 0.01–1.0 mM glucose. Finally, the antimicrobial activities of newly synthesized T-Pala and PT-Pala were also evaluated by using the disc diffusion method. In the second part of thesis, we report a novel approach for fabrication of multifunctional conjugated polymers, namely poly(p-phenylene)s (PPPs) possessing polypeptide (poly-L-lysine, PLL) and hydrophilic poly(ethylene glycol) (PEG) side chains. The approach is comprised of the combination of Suzuki coupling and in situ N-carboxyanhydride (NCA) ring-opening polymerization (ROP) processes. First, polypeptide macromonomer was prepared by ROP of the corresponding NCA precursor using (2,5-dibromophenyl) methanamine as an initiator. Suzuki coupling reaction of the obtained polypeptide and PEG macromonomers both having dibromobenzene end functionality using 1,4-benzenediboronic acid as the coupling partner in the presence of palladium catalyst gave the desired polymer. A different sequence of the same procedure was also employed to yield polymer with essentially identical structure. In the reverse sequence mode, low molar mass monomer (2,5-dibromophenyl)methanamine, and PEG macromonomer were coupled with 1,4- benzenediboronic acid in a similar way followed by ROP of the L-Lysine NCA precursor through the primary amino groups of the resulting polyphenylene. In the third part of thesis, a novel approach for bioconjugation associated with a fluorescent conjugated polymer is demonstrated. For this purpose, a conjugated polymer, poly(p-phenylene) (PPP), with lateral substituents, namely primary amino groups and poly(ethylene glycol) (PEG) chains, as a potential building block for polymer bioconjugates was synthesized and characterized. The synthesis was achieved through Suzuki polycondensation reaction in the presence of Pd(PPh3)4 catalyst by using independently prepared PEG and amino functionalized dibromo benzenes in conjunction with benzene diboronic acid. For the evaluation of the bioactive PPP labeled with folic acid (FA) as a potential targeted cell imaging probe, HeLa and A549 cancer cells were used. Cytotoxicity assay showed that the polymer was not toxic to either of the cells. Additionally, the fluorescence images showed that, depending on the level of the FA receptors on the cell surfaces, the fluorescent intensity in HeLa cells was obviously higher than A549 cells when treated with FA conjugated PPP-NH2-g-PEG polymer. The resulting FA/PPP-NH2-g-PEG conjugate was successfully used as a bioconjugate for targeting and specifically imaging FA receptor positive HeLa human cervical cancer cells. Summary, we successfully achieved the systhesis, characterization and some bioapplications of complex macromolecular architecture based on conjugated polymers bearing polypeptide, water soluble pendant ,PEG, and primary amine groups. The systhesis of polypeptide squences were achieved by NCA-ROP technique based on transformation of α-amino acids to urethane derivatives which have possibility to obtain polypeptides in the well-designed and desicive control of molecular weight with one spot intra-molecular cyclization reaction in the presence of primary amino functional initiators. We succesfully used the primary amino functional thiophene and phenyl compounds as NCA-ROP initiator to obtain macromonomers having electropolymerization ability and possibility to give Suzuki coupling polymerization. After the obtaining of conjugated polymers bearing polypeptide and primary amine groups based on PPP and PTs, some biofunctional material was used in the step of bioapplications.DoktoraPh