Chemically modified alginates and chitosans Lateral and terminal functionalization by reductive amination

Abstract

ENGLISH:

Polysaccharides with added functions and/or modified properties are of increasing interest in preparing new materials suitable for both industrial applications and more advanced applications within biomedical research. Many of these applications, in particular within biomedical research, request tunable and well-characterized properties. Examples of added functionality include the ability to interact with cells via grafting of bioactive peptide sequences for use as scaffold materials in tissue engineering, and the ability to encapsulate hydrophobic molecules by grafting of cyclodextrins for use in applications ranging from drug delivery to waste water treatment.

Functionalization may be achieved by various chemical methods. In this study, reductive amination was shown to be an efficient method for grafting of substituents to periodate oxidized alginates, yielding high, tunable and reproducible degrees of substitutions, without formation of by-products.

The ability of alginates to form hydrogels is the basis for many of their applications. High degrees of grafting to the alginate chain, however, will impair with the ability of alginates to form ionically crosslinked hydrogels. The functionalized alginate gels were therefore prepared as mixed alginate gels, combining the modified alginates with a strong gel forming unmodified alginate. This approach enabled tuning of alginate gel properties. The mixed gels were also shown to dissolve rather than swell upon saline treatments, which can be beneficial in some applications.

Investigation of the depolymerization kinetics showed that the grafted alginates degrade slightly faster than unmodified alginates at low pH, while being equally stable at high pH. The study also suggests that structural variation in the grafted residues may have different effects on the overall stability, providing additional means to tailor the stability. Nevertheless, the relatively small differences in degradation rates at pH 4.0 indicate that the modified residues will not markedly change the overall degradability of alginates at physiological conditions.

Two case studies for functionalized alginates were provided. Gel beads with cyclodextrin-grafted alginates showed promise as sustained drug release systems. The relevance of being able to prepare grafted alginates with a range of grafting degrees was furthermore demonstrated in a 2D cell attachment study with peptide grafted alginate hydrogels. Myoblast cells adhered to gels with a range of peptide concentrations, while dental stem cells only adhered to the highest tested concentration of peptide (1 % mole peptide per mole uronic acid residues).

Throughout this thesis the in vitro properties of the prepared alginate materials have been studied, providing the relative differences between various materials and also indications on their in vivo behavior. The toolbox of chemical modifications alone or in combination with structural tailoring by alginate modifying enzymes (epimerases) shows promise for new alginate based materials.

In the final part, initial work on polysaccharide based block copolymers (oligosaccharide-b-oligosaccharide) demonstrated how reactive dihydrazides may be used to link oligosaccharides via their reducing end. This represents an interesting development with great potential in preparing new materials based on oligosaccharide block copolymers with well-defined structures and potentially self-assembling and nanostructuring properties.

NORSK:

Polysakkarider med nye funksjoner og / eller endrede egenskaper er av økende interesse med det mål å kunne lage nye materialer tilpasset ulike industrielle anvendelser og mer avanserte applikasjoner innen biomedisinsk forskning. Evnen til å interagere med celler ved å koble bioaktive peptidsekvenser på polysakkaridene er et eksempel på en ny funksjonalitet for bruk som stillasmateriell i vevsteknologi. Et annet eksempel er evnen til å kapsle inn hydrofobe molekyler ved å koble på cyklodextriner, for bruk i applikasjoner som spenner fra levering av legemidler til behandling av avløpsvann. En forutsetning i mange av disse applikasjonene er at egenskapene til materialene er godt karakterisert og kan tilpasses den spesifikke applikasjonen.

Polysakkarider kan modifiseres med flere ulike kjemiske metoder. I denne studien ble reduktiv aminering vist å være en effektiv metode for kobling av substituenter til perjodatoksiderte alginater. Metoden gav høye, justerbare og reproduserbare substitusjonsgrader, uten dannelse av biprodukter.

De fleste anvendelser av alginater er basert på alginat hydrogeler. Høye substitusjonsgrader vil imidlertid svekke alginaters evne til å danne ionisk kryssbundet hydrogeler. De funksjonaliserte alginatgelene ble derfor laget som blandingsgeler, der de modifiserte alginatene ble blandet med et umodifisert alginat som i utgangspunktet gir sterke geler. Denne tilnærmingen resulterte i geler med et spekter av gelstyrker og kan derfor brukes til å tilpasse både grad av funksjonalisering og alginaters gelegenskaper til spesifikke applikasjoner. Blandingsgelene viste også liten grad av svelling i saltvann, som kan være nyttig i noen anvendelser.

En studie av nedbrytningskinetikken til de funksjonaliserte alginatene viste at alginater modifisert via ‘perjodatoksidering - reduktiv aminerings-metoden’ brytes ned litt raskere enn umodifiserte alginater ved lav pH, mens de er like stabile ved høy pH. Studien antydet også at strukturell variasjon i koblingspunktene kan ha ulik effekt på nedbrytningshastigheten. De forholdsvis små forskjellene i nedbrytningshastigheter ved pH 4,0 indikerer imidlertid at den kjemiske modifiseringen ikke vesentlig endrer stabiliteten til alginat ved fysiologiske betingelser.

To case-studier for funksjonaliserte alginater er presentert. Gelkuler med cyklodextrinkoblede alginater viste potensial som vedvarende medikamentfrigjøringssystemer. I tillegg ble viktigheten av å kunne lage substituerte alginater med høye og justerbare substitusjonsgrader demonstrert i et 2D celleadhesjonsstudie med peptidkoblede alginatgeler. Myoblastceller festet seg til geler med en rekke ulike peptid-konsentrasjoner, mens stamceller isolert fra tannmarg kun festet seg på gelen med den høyest testede konsentrasjonen av peptid (1% mol peptid pr mol uronsyre).

Arbeidet har fokusert på materialenes in vitro egenskaper. Dette gir verdifull informasjon om de relative forskjellene mellom ulike materialer, men også indikasjoner på deres in vivo oppførsel. Verktøykassen med ulike kjemiske modifikasjoner alene eller i kombinasjon med muligheten for å skreddersy alginatenes struktur med alginatmodifiserende enzymer (epimeraser) gjør at det er et stort potensial for å lage nye alginatbaserte materialer.

I den siste delen presenteres innledende arbeid på polysakkaridbaserte blokk-copolymerer (oligosakkarid-b-oligosakkarid). Det ble demonstrert hvordan reaktive dihydrazider kan brukes til å koble oligosakkarider via deres reduserende ende. Dette representerer en interessant utvikling med potensial i å lage nye materialer basert på slike oligosakkarid blokk-copolymerer med veldefinerte strukturer og potensielt selvassosierende og nanostrukturerende egenskaper.