Amine reactive polymeric materials for patterned bioimmobilization and orthogonal functionalization

Abstract

Reaktif ve antifouling grupları birlikte barındıran polimerler, biyomedikal alanlarda çok uygulama bulmaktadır. Bu polimerler, proteinler ve hücreler gibi diğer biyolojik materyallerin spesifik olmayan immobilizasyonunu en aza indirirken ilgili moleküllerin güçlü bir şekilde sabitlenmesini kolaylaştırmaktdır. Biyomoleküllerde amin grupları bol olduğundan, amin-reaktif gruplar içeren polimerler, biyomoleküllerin immobilizasyonu için yüksek oranda kullanılmaktadır. Amin grubu içeren moleküllerin bolluğu, ayrıca amin gruplarının epoksi, izosiyanat veya aldehit gibi birçok reaktif gruba kolaylıkla tepki vermesi, aminle tepkimeye girebilen polimerik platformların hazırlanması için yeni yöntemlerin geliştirilmesinin önemini vurgulamaktadır. Bu çalışmada, amin aracılı (biyo)immobilizasyon için iki yaklaşım üzerinde çalışılmıştır. Tezin ilk bölümünde, serbest radikal polimerizasyonu yoluyla cam yüzeyler üzerinde orto-nitrobenzaldehit içeren zwitteriyonik hidrojel filmler sentezlenmiştir. Bu reaktif yüzeyler öncelikle alkol haline indirgenmiş ve ardından UV ışığı kullanılarak bölgesel olarak aktive edilmiştir. Bu yüzeyler üzerinde küçük moleküllerin yanısıra biyomoleküllerin desenli immobilizasyonu gösterilmiştir. Tezin ikinci bölümünde ise, yan dallarında epoksit ve izosiyanat grupları taşıyan polimerlerin sentezi gösterilmiştir. Epoksit-amin ve izosiyanat-amin reaksiyonları arasındaki farklı tepkime kinetiği, amin grupları içeren farklı moleküllerin polimerik platformlara ortogonal konjugasyonuna izin vermiştir. Sonuç olarak, bu polimerlere iki farklı amin içeren molekülün bağlanabildiği gösterilmiştir. Ayrıca, izosiyanat-amin reaksiyonuyla konjugasyon sonrası, boşta kalan epoksit grupları sayesnide polimerlerin cam yüzeye kaplandığı gösterilmiştir. Her iki çalışmanın da çeşitli biyo-immobilizasyon temelli biyo-uygulamalarda potansiyel kullanım alanları olduğuna inanıyoruz.Polymers possessing both reactive and antifouling groups find many applications in biomedical fields. These polymers facilitate strong immobilization of molecules of interest while minimizing non-specific immobilization of other biological materials, such as proteins and cells. Since amine groups are abundant in biomolecules, polymers that contain amine-reactive groups are highly utilized for the immobilization of biomolecules. The abundance of molecules containing amine groups, coupled with the fact that amine groups readily react with many reactive groups such as epoxy, isocyanate, or aldehyde, highlights the importance of developing new methods for preparing amine-reactive polymeric platforms. Herein, we studied two approaches for amine-mediated (bio)immobilization. In the first part of the thesis, zwitterionic hydrogel films containing ortho-nitrobenzaldehyde were synthesized on glass surfaces through free radical polymerization. These reactive surfaces were first reduced to alcohols and then regio-selectively activated using UV light. We demonstrated the patterned immobilization of small molecules as well as biomolecules on these surfaces. In the second part of the thesis, we synthesized polymers with pendant epoxide and isocyanate groups. The different reaction kinetics between epoxide-amine and isocyanate-amine reactions allowed for the orthogonal conjugation of different molecules containing amine groups to the polymeric platforms. Consequently, we were able to attach two different amine-containing molecules to these polymers. Furthermore, by conjugating through the isocyanate-amine reaction, we were able to anchor the polymers onto the glass surface using the epoxide groups. We believe that both studies have potential applications in various bio-immobilization-based bioapplications.