| License: Publishing license for publications including print on demand (5MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-324815
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.32481
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 1 October 2015 |
| Referee: | PD Dr. Rainer Müller |
| Date of exam: | 15 September 2015 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > PD Dr. Rainer Müller |
| Keywords: | electrokinetic surface properties, zeta-potential, dendrimers, self-assembled monolayers (SAM), protein adsorption, bacterial adhesion, biomaterials, anti-microbial coatings Elektrokinetische Oberflächeneigenschaften, zeta-Potential, Dendrimere, Selbst-organisierende Monoschichten (SAM), Proteinadsorption, Bakterielle Adhäsion, Biomaterialien, Antibakterielle Beschichtung |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 32481 |
Abstract (English)
According to a survey conducted in October 2012 a third of all dental implants is affected by peri-implantitis ten years after insertion. Unfortunately, the impact of surface properties, such as charge, wettability and coating agility on protein adsorption and subsequent biological events, like bacterial adhesion and biofilm formation, is still not fully unravelled. To date there are no ...
Abstract (English)
According to a survey conducted in October 2012 a third of all dental implants is affected by peri-implantitis ten years after insertion. Unfortunately, the impact of surface properties, such as charge, wettability and coating agility on protein adsorption and subsequent biological events, like bacterial adhesion and biofilm formation, is still not fully unravelled. To date there are no bi-functional coatings that suppress the adhesion and growth of pathogenic organisms while simultaneously stimulating the integration of the implant into the surrounding tissue. A coating combining both properties is believed to reduce the incidence of peri-implantitis at the trans-gingival passage. Therefore, this thesis focuses on the preparation and characterization of covalent surface modifications terminated by functional groups, capable of generating charge in aqueous solution. The following functionalities were chosen for this purpose: the ammonium (-NH_3^+), the pyridinium (-N^+C_5H_5), the sulfonate (-SO_3^-), and the carboxylate (-COO^-) functionality. They were inserted in two diverse basic coatings. On the one hand as a terminal group in the well known "self-assembled monolayer" (SAM) system based on linear alkyl silanes on silicon dioxide surfaces and on the other hand at the periphery of immobilised polyamidoamine (PAMAM) dendrimers. Non-ionizable methyl terminated coatings, poly(ethylene glycol) functionalized surfaces and highly hydrophilic oxidized {SiO2} surfaces served as references. Dendrimers were chosen since they are an efficient and omnipresent structural element in nature (see e.g. nerves). The functionalities dendritically arranged at a surface are believed to be of higher concentration and possess a higher degree of freedom in comparison to the functionalities anchored within the rigid SAM system. The immobilization of PAMAM onto the substrata was achieved by a thin siloxane coating terminated by carboxylic acid anhydride moieties.
The first part of this thesis focuses on the preparation and physico-chemical characterization of the above mentioned coatings. Diffuse-reflectance infrared Fourier transformed spectroscopy (DRIFT), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and a chemiluminescence based assay for the detection of terminal amino groups were performed to determine the preparation success of the surface modifications. The impact of the functional groups in their corresponding fixation on the electrokinetic potential was assessed by electrokinetic measurements. Furthermore, the wettability of the surfaces was determined by static water contact angle measurements.
The dendrimer backbone resulted in a higher or comparable wettability of the surface in comparison to the fixation of the identical functionality via linear alkyl chains. At SAM-coatings a mainly pronounced negative electrokinetic potential (-30 mV to -120 mV) was detected in neutral aqueous solution, with the exception of the amino-group terminated SAM at which a value around zero was determined. In contrast, the novel coatings based upon dendrimers are rather moderately charged (-20 mV to 30 mV) at pH 7. The zeta-potential value in dependence of the pH of the surrounding solution at the SAM-coatings was observed to depend solely on the ionization behaviour of the surface confined functionalities, whereas the "effective" zeta-potential-pH profiles at the PAMAM-coatings could only be explained considering film swelling and structural rearrangements. That the dendrimer maintained its flexibility upon immobilization was also supported by pilot sum frequency spectroscopy (SFG) measurements at the coating/air interface. No unambiguous correlation was recognized between wettability and charge.
The second part of this thesis investigates the influence of the surface modifications on protein adsorption from saliva and serum, as well as bacterial adhesion and viability of Streptococcus gordonii DL1 and Staphylococcus aureus in the presence and absence of a pre-coat from the former mentioned physiological solutions. In addition the impact of the surfaces coatings on human MG-63 osteoblast attachment was inspected.
The PAMAM-coatings showed comparable or lower amounts of protein upon the surfaces after the exposure to human whole saliva in comparison to their linear analogues. Serum exposure resulted in an adverse effect, maintaining or supporting the adsorption of proteins on PAMAM-coatings in comparison to the alkyl chain based films. Both bacteria investigated preferred dendrimer based coatings terminated by cationic functionalities and avoided the settlement on surfaces functionalized by dendrimers with anionic or neutral periphery. PAMAM-COOH is as effective and PAMAM-CH_3 nearly as effective as the gold standard SAM-PEG in prohibiting bacterial attachment. This property was even slightly enforced after serum conditioning, whereas it was slightly reduced after saliva contact. In contrast all SAM coatings were colonized by both bacteria irrespective of the terminal functionality. Regarding the vitality of the adhering bacteria, S. gordonii, was only influenced by pyridinium coated samples, whereas the bactericidal effect was stronger on PAMAM-Py than at the SAM-Py coated surfaces. This effect was lost after saliva pre-conditioning. The vitality of S. aureus was also reduced on pyridinium terminated coatings, but the most pronounced effect was achieved with PAMAM-CH_3. After serum exposure this bactericidal property was maintained. The antimicrobial property of PAMAM-NH_2, reported in literature, could not be preserved after tethering the molecule to the surface. Cell adhesion studies with human MG-63 osteoblasts showed comparable cell numbers on the dendrimer based coatings in comparison to the alkyl chain based coatings terminated by the same functionality, but after serum exposure higher cell numbers could be detected on the dendrimer based coatings in comparison to their linear analogues bearing the same functionality.
This study demonstrates, that a surface fixation of the terminal groups via a dendrimer possesses a higher potential of modulating the oral biological response, than the supplement of the same functional groups via linear alkyl chains. Since PAMAM-CH_3 revealed a gentle antimicrobial property towards S. aureus and reduced the settlement of bacteria, PAMAM-CH_3 might be promising in reducing peri-implantitis at the trans-gingival passage without minimizing the attachment of bone forming cells.
Translation of the abstract (German)
Gemäß einer Umfrage vom Oktober 2012 sind ein Drittel aller dentalen Zahnimplantate zehn Jahre nach ihrem Einsatz von Periimplantitis betroffen. Leider ist der Einfluss von Oberflächeneigenschaften, wie Ladung, Benetzbarkeit und Beweglichkeit auf Proteinadsorption und den darauf folgenden biologischen Ereignissen immer noch nicht vollständig geklärt. Bis heute gibt es keine bifunktionalen ...
Translation of the abstract (German)
Gemäß einer Umfrage vom Oktober 2012 sind ein Drittel aller dentalen Zahnimplantate zehn Jahre nach ihrem Einsatz von Periimplantitis betroffen. Leider ist der Einfluss von Oberflächeneigenschaften, wie Ladung, Benetzbarkeit und Beweglichkeit auf Proteinadsorption und den darauf folgenden biologischen Ereignissen immer noch nicht vollständig geklärt. Bis heute gibt es keine bifunktionalen Beschichtungen, welche die bakterielle Adhäsion und deren Wachstum unterbinden, während sie die Integration des Implantats in das umgebende Gewebe unterstützen. Eine Beschichtung, welche beide Eigenschaften vereint, ist vermutlich geeignet, das Auftreten einer Periimplantintis an der transgingivalen Durchtrittstelle zu vermindern. Deshalb konzentriert sich diese Arbeit auf die Präparation und Charakterisierung von kovalenten Oberflächenmodifikationen, terminiert durch funktionelle Gruppen, welche in der Lage sind in wässriger Lösung Ladungen auszubilden. Hierfür wurden folgende Funktionalitäten ausgewählt: die Ammonium- (-NH_3^+), die Pyridinium- (-N^+C_5H_5), die Sulfonat- (-SO_3^-) und die Carboxylatgruppe (-COO^-). Sie wurden in zwei unterschiedliche Basisbeschichtungen eingebracht. Zum einen als endständige Gruppen in das wohl bekannte "`self-assembled monolayer"' (SAM) System basierend auf linearen Alkylsilanen auf Siliziumdioxid und zum Anderen an die Peripherie immobilisierter Polyamidoamin Dendrimere (PAMAM). Nicht ionizierbare methyl-terminierte Beschichtungen, Polyethylenglykol funktionalisierte Oberflächen und oxidierte Siliziumoberflächen dienten als Referenzoberflächen. Dendrimere wurden deshalb gewählt, weil sie ein effizientes, häufig in der Natur verwendetes Strukturelement (siehe z.B. Nerven) sind. Zudem wurde bei einer dendritischen Anordnung sowohl eine höhere Oberflächenkonzentration als auch eine bessere Zugänglichkeit der Funktionalitäten erwartet als durch die Verankerung in einem starren SAM-System. Die Immobilisierung von PAMAM wurde mittels einer dünnen Siloxanschicht mit terminalen Anhydriden erreicht.
Der erste Teil dieser Arbeit ist auf die Präparation und physikalisch-chemische Charakterisierung der oben genannten Beschichtungen fokussiert. Infrarotspektroskopie (DRIFT) in diffuser Reflexion, Röntgen-Photoelektronen Spektroskopie (XPS) und ein Aminogruppen detektierender, auf Chemilumineszenz basierender Test wurden angewandt um die erfolgreiche Darstellung der Oberflächenmodifikationen zu ermitteln. Der Einfluss der funktionellen Gruppen in ihrer jeweiligen Fixierung auf die effektive Oberflächenladung wurde mit Hilfe elektrokinetischer Messungen untersucht. Des Weiteren wurde die Benetzbarkeit der Oberflächen durch statische Kontaktwinkelmessung mit Wasser erfasst.
Hinsichtlich Ihrer Benetzbarkeit zeigt sich eine PAMAM-Beschichtung in etwa gleich hydrophil oder hydrophiler als die SAM-Beschichtung mit gleicher Funktionalität. Für alle SAM-Beschichtungen wurde in neutraler wässriger Lösung ein vorwiegend stark negativ ausgeprägtes elektrokinetisches Potential (-30 mV bis -120 mV) detektiert, mit Ausnahme der mit Aminogruppen terminierten SAM-Beschichtung, deren Wert um Null lag. Im Gegensatz dazu, zeichneten sich die neuen Beschichtungen, basierend auf Dendrimeren, durch eine moderate Oberflächenladung (-20 mV to 30 mV) bei pH 7 aus. Während das zeta-potential in Abhängigkeit vom pH der umgebenden Lösung an den SAM-Beschichtungen ausschließlich von dem Ionisierungsverhalten der gebundenen chemischen Funktionalitäten abhängt, konnten die "effektiven" zeta-potential-pH Verläufe an den Dendrimerbeschichtungen nur unter der Annahme von Quellvorgängen und strukturellen Umlagerungen erklärt werden. Vorversuche mit Hilfe von Summenfrequenzspektroskopie (SFG) an der Beschichtungs/Luft Grenzfläche unterstützten die Annahme, dass das Dendrimer nach der Anbindung an die Oberfläche eine gewisse Flexibilität behält. Es konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Benetzbarkeit und Oberflächenladung hergestellt werden.
Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht den Einfluss der Oberflächenmodifikationen auf die Proteinadsorption aus Speichel und Serum, als auch die Bakterienadhäsion und Bakterienvitalität von Streptococcus gordonii DL1 und Staphylococcus aureus in Anwesenheit und Abwesenheit einer Präadsorptionsschicht aus den zuvor genannten physiologischen Lösungen. Zusätzlich wurde die Adhäsion von humanen MG-63 Osteoblasten untersucht.
Die PAMAM-Beschichtungen zeigten vergleichbare oder geringere Mengen an Protein nach Kontakt mit humanem Speichel im Vergleich zu deren linearen Analogen. Gegensätzliches wurde nach dem Kontakt mit Serum beobachtet, wo die Dendrimerbeschichtungen vergleichbare oder höhere Mengen an Protein adsorbierten als ihre auf linearen Alkylketten basierenden Filme. Beide in der Arbeit untersuchten Bakterientypen banden bevorzugt an kationisch terminierte PAMAM-Beschichtungen und vermieden die Besiedelung von Dendrimerbeschichtungen mit anionischer oder neutraler Peripherie. PAMAM-COOH zeigte sich als effektiv und PAMAM-CH_3 ähnlich effektiv wie der Goldstandard SAM-PEG in der Unterbindung von Bakterienadhäsion. Diese Eigenschaft wurde sogar leicht verstärkt nach Vorkonditionierung mit Serum, während sie nach Speichelkontakt leicht reduziert wurde. Im Gegensatz zu den PAMAM-Beschichtungen wurden alle SAM-Beschichtungen von beiden Bakterien unabhängig von der terminalen Gruppe besiedelt. Die Vitalität des adhärierenden Bakteriums S. gordonii wurde nur von pyridiniumbeschichteten Oberflächen beeinflusst, während der antibakterielle Effekt auf PAMAM-Py stärker war als auf der SAM-Py Oberfläche. Dieser Effekt wurde durch die Konditionierung mit Speichel aufgehoben. Die Vitalität von S. aureus wurde auch von den Pyrdinium-Beschichtungen reduziert, aber der stärkste Effekt wurde an der PAMAM-CH_3 Oberfläche erzielt. Nach Konditionierung mit Serum wurde diese Eigenschaft beibehalten. Die antibakterielle Eigenschaft von PAMAM-NH_2, gemäß Literaturangaben, konnte nach der Anbindung des Moleküls nicht beibehalten werden. Zellstudien mit humanen MG-63 Osteoblasten zeigten vergleichbare Zellzahlen auf den PAMAM sowie den SAM-Beschichtungen bei gleicher terminaler Funktionalität. Nach Konditionierung mit Serum konnten auf den PAMAM- Beschichtungen höhere Zellzahlen ermittelt werden als auf den analogen SAMs.
Diese Arbeit zeigt, dass die Fixierung der funktionalen Gruppen durch das Dendrimer ein höheres Potential besitzt, die orale biologische Antwort zu modellieren, als eine Bereitstellung der gleichen funktionellen Gruppe mittels einer linearen Alkylkette. Da PAMAM-CH_3 einen leichten antibakteriellen Charakter bezüglich S. aureus aufweist und antiadhäsiv wirkt, scheint diese Beschichtung primär in der Lage zu sein, die Periimplantitis zu reduzieren, ohne die Anheftung von knochenbildenden Zellen entschieden zu vermindern.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 23:33
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