Grafting polyacrylates from carbohydrates by ATRP and formation of nanoparticles for advanced drug delivery

Abstract

The present thesis describes synthesis and characterization of graft copolymers from carbohydrates and formulation of nanoparticles(NP)s for drug carrier application. Side chains were produced grafting from carbohydrate based macroinitiators via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP). Firstly, hydrophobic homo-, random- and block-copolymer side chains were grafted from a beta-Cyclodextrin core, followed by starch as a core. Monomer conversions up to 80% were achieved in most cases and well controlled polymers were obtained. Ni(II) triphenylphosphine complexes were found to be catalysts superior to the well known Cu(I) complexes, because they can be removed much easier from the product after polymerization. NPs prepared by the emulsion-diffusion technique showed particle sizes of <200 nm, uniform shape and narrow size distribution (PDI<0.1). Not only the production parameter of NPs but also the chemical properties of the polymer influence the stability and size distribution of NPs. Especially the hydrophobicity of polymers and the composition of the arm of polymers (block or random) have a big influence on the stability and PDI of NPs. Since cell viabilities remain unaffected by these NPs, they are good candidates for the delivery of drugs. In conclusion, hydrophobically modified carbohydrate derivatives have a potential to serve as a new platform for biodegradable and biocompatible nano carriers.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung von Pfropf- Copolymeren aus Kohlenhydraten und Polyacrylaten, sowie die Formulierung von Nanopartikeln(NP) als Trägermaterialien für Arzneistoffe. Die Seitenketten wurden mittels Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) an die Kohlenhydrate anpolymerisiert. Zunächst erfolgte die Synthese von hydrophoben Pfropfpolymeren mit Homo-, Random- und Block-Copolymer-Seitenketten ausgehend von beta- Cyclodextrin als Kern, anschließend wurde auch Stärke als Kern verwendet. Hierbei wurden unter Monomerumsätzen von mehr als 80% definierte Polymere erhalten. Ni(II)-Komplexe waren den bekannten Cu(I)-Katalysatoren überlegen, da sie nach der Polymerisation leichter entfernt werden können. Die mittels Emulsions-Diffusions-Technik hergestellt NP, besitzen einheitliche Formen und Größen (ca. 200 nm) und eine enge Größenverteilung. Hierbei waren nicht nur die Parameter bei der NP-Herstellung, sondern auch die chemischen Eigenschaften des Polymers wichtig. Besonders die Hydrophobie der Polymere und die Zusammensetzung der Seitenketten (Block- oder Random) haben einen großen Einfluss auf die Stabilität und die Größenverteilung der NP. Da die Zellviabilität durch die NP nicht beeinträchtigt wird, eignen sie sich für pharmakologische Anwendungen. Die hydrophob modifizierten Kohlenhydrat-Derivate stellen somit eine viel versprechende neue Plattform für biologisch abbaubare und biokompatible Nanocarrier dar.