Martin Sütterlin

• In this work, the development of temperature- and protein-responsive sensor materials based on biocompatible, inverse hydrogel opals (IHOs) is presented. With these materials, large biomolecules can be specifically recognised and the binding event visualised. The preparation of the IHOs was performed with a template process, for which monodisperse silica particles were vertically deposited onto glass slides as the first step. The obtained colloidal crystals with a thickness of 5 μm displayed opalescent reflections because of the uniform alignment of the colloids. As a second step, the template was embedded in a matrix consisting of biocompatible, thermoresponsive hydrogels. The comonomers were selected from the family of oligo(ethylene glycol)methacrylates. The monomer solution was injected into a polymerisation mould, which contained the colloidal crystals as a template. The space in-between the template particles was filled with the monomer solution and the hydrogel was cured via UV-polymerisation. The particles were chemicallyIn this work, the development of temperature- and protein-responsive sensor materials based on biocompatible, inverse hydrogel opals (IHOs) is presented. With these materials, large biomolecules can be specifically recognised and the binding event visualised. The preparation of the IHOs was performed with a template process, for which monodisperse silica particles were vertically deposited onto glass slides as the first step. The obtained colloidal crystals with a thickness of 5 μm displayed opalescent reflections because of the uniform alignment of the colloids. As a second step, the template was embedded in a matrix consisting of biocompatible, thermoresponsive hydrogels. The comonomers were selected from the family of oligo(ethylene glycol)methacrylates. The monomer solution was injected into a polymerisation mould, which contained the colloidal crystals as a template. The space in-between the template particles was filled with the monomer solution and the hydrogel was cured via UV-polymerisation. The particles were chemically etched, which resulted in a porous inner structure. The uniform alignment of the pores and therefore the opalescent reflection were maintained, so these system were denoted as inverse hydrogel opals. A pore diameter of several hundred nanometres as well as interconnections between the pores should facilitate a diffusion of bigger (bio)molecules, which was always a challenge in the presented systems until now. The copolymer composition was chosen to result in a hydrogel collapse over 35 °C. All hydrogels showed pronounced swelling in water below the critical temperature. The incorporation of a reactive monomer with hydroxyl groups ensured a potential coupling group for the introduction of recognition units for analytes, e.g. proteins. As a test system, biotin as a recognition unit for avidin was coupled to the IHO via polymer-analogous Steglich esterification. The amount of accessible biotin was quantified with a colorimetric binding assay. When avidin was added to the biotinylated IHO, the wavelength of the opalescent reflection was significantly shifted and therefore the binding event was visualised. This effect is based on the change in swelling behaviour of the hydrogel after binding of the hydrophilic avidin, which is amplified by the thermoresponsive nature of the hydrogel. A swelling or shrinking of the pores induces a change in distance of the crystal planes, which are responsible for the colour of the reflection. With these findings, the possibility of creating sensor materials or additional biomolecules in the size range of avidin is given.…
• In dieser Arbeit wird die Entwicklung von temperatur- und proteinresponsiven Sensormaterialien auf Basis von biokompatiblen, inversen Hydrogelopalen (IHO) vorgestellt, mit welchen die spezifische Erkennung größerer Biomoleküle visuell ausgelesen werden kann. Die Darstellung der IHOs erfolgte mittels Templatverfahren, bei dem im ersten Schritt monodisperse Silicapartikel vertikal auf Objektträger abgeschieden wurden. Die so erhaltenen Kolloidkristalle mit einer Dicke von 5 μm zeigten opaleszente Reflexionen aufgrund der gleichförmigen Anordnung der Partikel. Im zweiten Schritt wurde das Templat in eine Matrix aus biokompatiblen, thermoresponsiven Hydrogelen eingebettet. Die Comonomere wurden aus der Familie der Oligo(ethylenglykol)methacrylate ausgewählt. Zur Synthese des Hydrogels wurde die Monomerlösung in eine Polymerisationsform injiziert, welche die Kolloidkristalle als Templat beinhaltete. Die Zwischenräume der Templatpartikel wurden mit der Monomerlösung gefüllt und das Hydrogelnetzwerk per UV-Polymerisation erhalten. DieIn dieser Arbeit wird die Entwicklung von temperatur- und proteinresponsiven Sensormaterialien auf Basis von biokompatiblen, inversen Hydrogelopalen (IHO) vorgestellt, mit welchen die spezifische Erkennung größerer Biomoleküle visuell ausgelesen werden kann. Die Darstellung der IHOs erfolgte mittels Templatverfahren, bei dem im ersten Schritt monodisperse Silicapartikel vertikal auf Objektträger abgeschieden wurden. Die so erhaltenen Kolloidkristalle mit einer Dicke von 5 μm zeigten opaleszente Reflexionen aufgrund der gleichförmigen Anordnung der Partikel. Im zweiten Schritt wurde das Templat in eine Matrix aus biokompatiblen, thermoresponsiven Hydrogelen eingebettet. Die Comonomere wurden aus der Familie der Oligo(ethylenglykol)methacrylate ausgewählt. Zur Synthese des Hydrogels wurde die Monomerlösung in eine Polymerisationsform injiziert, welche die Kolloidkristalle als Templat beinhaltete. Die Zwischenräume der Templatpartikel wurden mit der Monomerlösung gefüllt und das Hydrogelnetzwerk per UV-Polymerisation erhalten. Die Templatpartikel wurden anschließend nasschemisch heraus gelöst, so dass eine poröse innere Struktur erhalten wurde. Die regelmäßige Anordnung der Poren und damit die opaleszenten Reflexionen wurden dabei beibehalten, so dass diese Systeme als inverse Hydorgelopale bezeichnet werden. Ein Porendurchmesser von mehreren hundert Nanometer, sowie durchgängige Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Poren sollten eine Diffusion von großen (Bio)molekülen erleichtern, was bei bisherigen Systemen ein Problem darstellte. Die Copolymerzusammensetzung wurde dabei so gewählt, dass ein Kollaps des Hydrogels über 35 °C stattfand. Alle Hydrogele zeigten ausgeprägte Quellung in Wasser unterhalb der kritischen Temperatur. Der Einbau von reaktiven Comonomeren mit Hydroxylgruppen gewährleistete dabei die Funktionalisierbarkeit des Hydrogels mit Erkennungsgruppen für entsprechende Analytmoleküle, wie z.B. Proteine. Als Testsystem wurde Biotin als Erkennungseinheit für Avidin in das Hydrogel mittels polymeranaloger Steglich Veresterung eingebaut. Die Menge an zugänglichem Biotin wurde dabei per colorimetrischem Bindungsassay quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass sich die Wellenlänge der Reflexion nach Zugabe von Avidin zum biotinylierten inversen Hydrogelopal signifikant verschob und damit das Bindungsereignis visuell auslesbar ist. Dieser Effekt beruht auf dem veränderten Quellungsverhalten des Hydrogels nach Bindung des hydrophilen Proteins Avidin in Wasser, welches durch den thermosresponsiven Charakter des Hydrogels verstärkt ist. Ein Aufweiten oder Schrumpfen der Poren ändert die Abstände der gleichmäßig angeordneten Poren, welche für die Farbe des inversen Opals verantwortlich sind. Auf Basis dieser Erkenntnisse lassen sich möglicherweise Sensormaterialen für die Erkennung weiterer Biomoleküle in der Größenordnung von Avidin erstellen.…