Development of a new PMOXA based polymer brush for imparting surface biopassivity. Comparative assessment with PEG based analogue.

Fouling is the process of accumulation of undesired material at the surface of a component, that leads to the decrease in its performance. In multiple fields an interest to avoid fouling exists. Those fields range from food processing, water purification, transports towards biomedical devices. The impact of the phenomenon can be either economical or even representing a threat for human safety, thus there is a high interest for understanding fouling mechanisms and preventing the phenomenon. Strategies are several and involve physico-chemical surface treatment or surface coating. The present work deals with protein repellent surface coatings exposed to biological fluids in a biomedical context. We designed a series of PMOXA based copolymers consisting of a poly(acryl amide) backbone, PMOXA, amine, silane and nitrodopamine side chains by analogy to previously studied and excellent nonspecific protein resistant PEG-based systems (1). A PMOXA molecule (4 kDa) containing methyl and amine ending group was synthesized by means of CROP polymerization. 1H-NMR spectroscopy and GPC confirmed the intended chemical structure and molecular weight with a narrow polydispersity (PDI=1.1). By means of nucleophilic substitution reaction, they were grafted onto a poly(penta fluoro phenyl acrylate), an active ester containing polymer, varying the degree of substitution on the penta fluoro phenyl esters. The remaining pendant ester moieties were saturated with various combination of different chemical nature anchoring groups, resulting in the fabrication of three series of copolymers: poly (acryl amide)-g-(PMOXA, 1,6-hexane diamine), poly (acryl amide)-g-(PMOXA, 1,6-hexane diamine, 3-amino propyl dimethyl ethoxy silane) and poly (acryl amide)-g-(PMOXA, 1,6-hexanediamine, nitrodopamine). From 1H-NMR spectroscopy we could gain a qualitative verification of the targeted structure. Adsorption, stability in low and high ionic strength medium and resistance to nonspecific protein adsorption of the polymer films were studied by means of VASE and QCM-D surface characterization methods, obtaining the optimal grafting density for what it concerns protein resistance. In the end a comparative stability assessment between the three PMOXA based copolymers with optimal grafting density and the analogous PEG based ones of a previous work was performed in oxidative environment to establish whether PMOXA is able to overcome well known PEG limitations in long term applications (2) perceived as due to autoxidation suffering.

Con il termine “fouling” si indica il processo di accumulo ed eventuale crescita di materiale indesiderato vivente o non, sulla superficie di componenti, che compromette le funzionalità degli stessi. I settori interessati da questo problema sono molteplici e variano dall’industria dei processi alimentari, ai processi di purificazione dell’acqua, ai trasporti, fino al campo biomedico. Gli effetti negativi possono essere di natura economica, ma possono anche rappresentare un pericolo per la salute umana, pertanto l’interesse nel comprendere e controllare i meccanismi che regolano tale fenomeno è alto. Le strategie adottabili sono svariate e si dividono principalmente in trattamenti superficiali atti a modificare le proprietà fisico-chimiche intrinseche della superficie e il ricorso a rivestimenti superficiali. Il presente lavoro è incentrato su una serie di questi ultimi, atti a prevenire l’adesione delle proteine su una superficie esposta a fluidi fisiologici, per applicazioni in campo biomedico. Sono stati concepiti e progettati dei copolimeri a base di polimetilossazolina (PMOXA) in cui su una catena principale di poliacrilammide vengono graffati dei gruppi laterali di polimetilossazolina, ammina, silano e nitrodopamina in modo analogo a quanto fatto in un precedente lavoro su dei copolimeri a base di polietilenglicole (PEG) (1). Una molecola di polimetilossazolina con peso molecolare di 4 kDa che presenta gruppi terminali amminico e metilico, è stata sintetizzata tramite polimerizzazione cationica vivente ad apertura di anello (CROP). I risultati di spettroscopia 1H-NMR e di GPC hanno confermato che la struttura chimica e il peso molecolare a basso indice di polidispersità (PDI=1.1) desiderati sono stati ottenuti. Tramite reazione di sostituzione nucleofila tali molecole sono state graffate su una molecola di polipentafluorofenilacrilato, un polimero contenente un estere attivo nell’unità ripetitiva, a diverse densità di graffaggio (rapporto tra il numero di molecole di PMOXA e il numero di unità ripetitive di penta(fluoro fenil acrilato)). I rimanenti gruppi esteri sono stati completamente sostituiti da una combinazione di molecole di ammina, silano e nitrodopamina funzionali per l’ancoraggio alla superficie, con l’ottenimento di tre serie di copolimeri: poliacrilammide-g-(PMOXA, 1,6-esandiammina), poliacrilammide-g-(PMOXA, 1,6-esandiammina, 3-amminopropildimetiletossisilano) e poliacrilammide-g-(PMOXA, 1,6-esandiammina, nitrodopamina). I risultati della spettroscopia 1H-NMR hanno dato conferma qualitativa della struttura desiderata. L’assorbimento e la stabilità in ambiente a bassa ed alta forza ionica e la resistenza all’assorbimento di proteine dei film polimerici sono state studiate tramite metodi di caratterizzazione superficiale VASE e QCM-D. Dai risultati di queste caratterizzazioni è stato possibile individuare una densità di graffaggio ottimale in termini di resistenza all’assorbimento delle proteine, per ciascuna tipologia di copolimero prodotto. Per ultimo è stato operato un confronto tra la resistenza in ambiente ossidante dei tre polimeri qui ottenuti a base di PMOXA aventi densità di graffaggio ottimale e i corrispondenti polimeri analoghi a base di PEG del sopra menzionato precedente studio, al fine di verificare l’ipotizzata superiore resistenza a lungo termine della molecola di PMOXA rispetto a quella di PEG che presenta una durabilità limitata a causa della propensione all’autossidazione.