Funkcionalizace biodegradabilních polymerů anhydridem kyseliny itakonové

Abstract

Předložená diplomová práce se zabývá přípravou biodegradabilního termosenzitivního triblokového kopolymeru na bázi polyethylenglykolu, kyseliny polymléčné a polyglykolové (PLGA-PEG-PLGA) a dále pak především jeho modifikací anhydridem kyseliny itakonové (ITA), který dodá kopolymeru jak reaktivní dvojné vazby tak i funkční karboxylové skupiny důležité pro reakci s biologicky aktivními látkami. Hlavním cílem bylo optimalizovat reakční podmínky pro dosažení nejvyššího stupně navázání ITA na polymer za vzniku ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA. Uvedený kopolymer je po vytvoření heterogenního kompozitu např. s hydroxyapatitem vhodný pro biomedicíncké aplikace především v oblasti tkáňového inženýrství jako dočasná náhrada či fixace tvrdých tkání (kostí). V teoretické části uvedené práce jsou na základě literární rešerše obecně popsány hydrogely, jejich rozdělení, síťování a degradace. Stručně jsou rozepsány fyzikální a chemické vlastnosti a syntéza jednotlivých biomateriálů použitých při syntéze, anhydridu kyseliny itakonové a jejich kopolymerů. Experimentální část popisuje detailně syntézu PLGA-PEG-PLGA kopolymeru polymerací za otevření kruhu pomocí vakuové linky a Schlenkových technik. Byla sledována i kinetika polymerace s navržením nejvhodnějších podmínek syntézy. Uvedený kopolymer byl následně modifikován anhydridem kyseliny itakonové opět katalytickou reakcí za otevření kruhu. V důsledku optimalizace reakčních podmínek byl sledován vliv teploty, rozpouštědla, času a čistoty vstupních látek. Výsledný ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA kopolymer byl charakterizován pomocí 1H NMR, FT-IR a GPC metody. Byly sledovány kinetiky polymerace PLGA-PEG-PLGA kopolymeru a to z přesublimované a nepřesublimované kyseliny polymléčné a polyglykolové. V obou případech probíhala kinetika reakcí bez přítomnosti rozpouštědla při 130 °C po dobu 3 hodin s konverzí asi 90 %. Delší čas neměl vliv na růst konverze. U kinetiky z nepřesublimovaných monomerů byl sledován během několika prvních minut prudký nárůst konverze a pak již byl průběh konstantní, na čase nezávislý. Výsledná polydisperzita kopolymeru byla 1,26 a molekulová hmotnost 7155 g/mol. Optimálních podmínek bylo dosaženo u polymerace z přesublimovaných monomerů, kdy byl nárůst konverze do hodnoty 88 % získané během 2,5 hodin téměř lineární (polymerace byla živá) a poté byl progres konstantní. Byl získán přesně definovaný PLGA-PEG-PLGA kopolymer o molekulové hmotnosti 7198 g/mol a polydisperzitě 1,20. Nejlepších podmínek při syntéze ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA kopolymeru bylo dosaženo reakcí bez přítomnosti rozpouštědla při 110 °C po dobu 1,5 hodiny s přesublimovaným anhydridem kyseliny itakonové, kdy bylo na původní kopolymer navázáno 76.6 mol. %. Výsledná molekulová hmotnost kopolymeru (5881 g/mol) s polydisperzitou 1,37 stanovená pomocí GPC se shodovala s vypočítanou molekulovou hmotností z 1H NMR i s teoretickou molární hmotností (Mn(teor)/Mn(GPC)/Mn(NMR) = 1/0,89/0,96).

Presented diploma thesis describes preparation of biodegradable termosensitive triblock copolymer based on poly(ethylene glycol), poly(lactic acid) and poly(glycolic acid) (PLGA-PEG-PLGA) that was subsequently modified by itaconic anhydride (ITA), which gives copolymer both reactive double bonds and functional carboxylic acid groups essential for the reaction with biological active material. The general goal was optimizing reaction conditions in order to reach the highest yield of ITA end-capped to polymer resulting in ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA copolymer. Prepared functionalized copolymer as a component of heterogeneous composite e.g. with hydroxyapatite might be suitable for biomedical application in the field of tissue engineering as a temporary replacement or adhesive of hard tissues (bones). In the theoretical part, hydrogels, their separation, crosslinking and degradation mechanism are generally described together with physico-chemical properties and the synthesis of the individual used biomaterials and their copolymers, itaconic anhydride and its functionalization. The experimental part describes in detail the synthesis of PLGA-PEG-PLGA copolymer via ring opening polymerization (ROP) using vacuum line and Schlenk’s techniques. Kinetics of the ROP was measured and optimization of polymerization conditions was suggested. Prepared thermosensitive copolymer was additionally modified by itaconic anhydride via catalytic ring-opening reaction. Optimization of ITA functionalization conditions were evaluated in terms of effect temperature, time, ITA purification and presence of the solvent effect. Successful end-capping of PLGA-PEG-PLGA copolymer by ITA was precisely characterized by means of 1H NMR, FT-IR and GPC methods. Kinetics of PLGA-PEG-PLGA copolymerization from unsublimated (neat) and sublimated (purified) D,L-lactide and glycolide were studied. In both cases the synthesis proceeded in a bulk at 130 °C for 3 hours with conversion approximately of 90 %. Prolonged polymerization period had no effect on the increase of conversion. In the case of ROP using unsublimated monomers, a rapid increase of monomer conversion was observed during first few minutes, followed by constant progress. Resulting copolymer displayed molecular weight of 7155 g/mol and narrow polydispersity index of 1.26. Optimal conditions were reached when sublimated monomers were polymerized. First, increase of conversion up to 88 % was nearly linear (living polymerization) to 2.5 hours, after that a plateau was observed. Well-defined PLGA-PEG-PLGA copolymer with molecular weight of 7198 g/mol and narrow polydispersity index of 1.20 was obtained. Optimal conditions for synthesis of ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA copolymer were reached with sublimated itaconic anhydride in a bulk at the temperature of 110 °C with total reaction time of 1.5 hours. As a result 76.6 mol. % of ITA was end-capped to the original PLGA PEG PLGA copolymer. Resulting molecular weight of ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA copolymer (5881 g/mol) with polydispersity index of 1.37 found by GPC correlated well with Mn calculated from 1H NMR and a theoretical Mn (Mn(theor)/Mn(GPC)/Mn(NMR) = 1/0.89/0.96).