| License: Creative Commons Attribution No Derivatives 4.0 (15MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-464482
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.46448
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 1 June 2022 |
| Referee: | Apl. Prof. Dr Rainer Müller |
| Date of exam: | 21 June 2021 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > PD Dr. Rainer Müller |
| Keywords: | Biomaterials, Surface Modification, Self-Assembled Monolayers, Protein Adsorption |
| 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: | 46448 |
Abstract (English)
Biomaterials are indispensable in health care. They are used in a plethora of applications, whenever the function of an organ or tissue needs to be supported, restored or replaced temporarily or permanently. The fate of any device interacting with the human body strongly depends on the amount and composition of the initially adsorbed protein layer. It governs, for instance, bacterial adhesion, ...
Abstract (English)
Biomaterials are indispensable in health care. They are used in a plethora of applications, whenever the function of an organ or tissue needs to be supported, restored or replaced temporarily or permanently. The fate of any device interacting with the human body strongly depends on the amount and composition of the initially adsorbed protein layer. It governs, for instance, bacterial adhesion, potentially leading to a bacterial infection, and tissue cell attachment, allowing for successful tissue integration of an implant.
As protein adsorption is the first step in a cascade of interactions between biomaterials and living organisms, it is crucial to further understand how it is influenced by the biomaterial surface. Thus, this PhD thesis focuses on the investigation of surface properties and their effect on biological systems, pursuing two goals: Firstly, the research was aimed at developing a deeper understanding how protein adsorption is related to macroscopically determined surface characteristics. In addition to that, it was sought to develop novel surface modifications, which ideally combine protein-repellent with cell-adhesive properties for later application in dental or orthopedic implants. To this purpose, a large variety of surface modifications has been developed and synthesized on appropriate model substrates using silane chemistry.
The research of this thesis will be divided into four parts, all sharing a similar structure. At first, the successful synthesis of the respective surface coatings was confirmed via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), infrared (IR) spectroscopy and water contact angle measurements. In addition to that, fundamental physicochemical properties of the surface modifications were characterized: The surface free energy (SFE) and dynamic wetting behavior were analyzed via static contact angle measurements or tensiometry respectively. The zeta potential of the surface functionalizations was derived from electrophoresis or streaming current measurements. Furthermore, the interaction of those surface modifications with biological systems was investigated, including the quantitative or qualitative analysis of protein adsorption or the study of initial cell adhesion.
In the first chapter, protein adsorption was investigated on a variety of self-assembled monolayers (SAMs) with different terminal functional groups. Covering a broad range of surface wettabilities, SFEs and zeta potentials, the surfaces’ properties were shown to substantially influence qualitative and quantitative protein adsorption from the biofluids human saliva and human serum. Whereas some single proteins, most prominently lysozyme, clearly followed basic physicochemical rules in their adsorption behavior, no such dependence could be observed for the majority of proteins. The amounts and compositions of the adsorbed protein layers were clearly shaped by the characteristics of the surface, but no simple relations between surface properties and protein adsorption could be revealed.
The second chapter focuses on a group of surface modifications, which are related to the chemistry of the poly(amido amine) (PAMAM) dendrimer. Those six surface coatings all possess terminal and inner amine groups, but they differ with respect to the presence or absence of inner amide groups and with respect to their structure, being either short-chained oligomers, linear polymers or dendrimers. These functionalizations all exhibited a moderately hydrophilic behavior, but they differed significantly in their electrokinetic behavior. Protein adsorption from single protein solutions as well as from human saliva and fetal bovine serum (FBS) was found to be strongly governed by the zeta potential. Both linear polymers, characterized by their flexibility and hydrophilicity, exhibited protein-repellent behavior.
In addition to the PAMAM-derived coatings, further surface modifications with osmolyte motifs were developed, inspired by their unique protein-stabilizing function in nature. Immobilization of sulfobetaine or amine oxide groups led to hydrophilic surface coatings with negative zeta potentials under physiological conditions. The amine oxide modification, based on the osmolyte trimethylamine N-oxide, exhibited excellent protein-repellency.
In the last chapter, three amine-based modifications, representing the three different structural motifs, were immobilized on titanium substrates for cell experiments, analyzing the behavior, i.e. spreading, morphology, actin cytoskeleton and cell cycle, of osteoblastic MG-63 cells up to 24 h. In general, large differences in cell behavior were observed after 1 h of cultivation, which almost vanished after 24 h of cultivation. A drastically increased initial cell spreading was observed on the dendrimer coating, which was characterized by a large density of surface amine groups and a strongly positive zeta potential under physiological conditions.
Translation of the abstract (German)
Biomaterialien sind im Gesundheitswesen unverzichtbar. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, wenn die Funktion eines Organs oder Gewebes vorübergehend oder dauerhaft unterstützt, wiederhergestellt oder ersetzt werden muss. Das Schicksal eines solchen Hilfsmittels, das in Wechselwirkung mit dem menschlichen Körper steht, hängt dabei stark von der Menge und Zusammensetzung der ...
Translation of the abstract (German)
Biomaterialien sind im Gesundheitswesen unverzichtbar. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, wenn die Funktion eines Organs oder Gewebes vorübergehend oder dauerhaft unterstützt, wiederhergestellt oder ersetzt werden muss. Das Schicksal eines solchen Hilfsmittels, das in Wechselwirkung mit dem menschlichen Körper steht, hängt dabei stark von der Menge und Zusammensetzung der anfänglich adsorbierten Proteinschicht ab. Sie bestimmt zum Beispiel die Adhäsion von Bakterien, die zu einer bakteriellen Infektion führen kann, und die Anlagerung von Gewebezellen, die eine erfolgreiche Gewebeintegration des Implantats ermöglicht.
Da die Proteinadsorption der erste Schritt in einer Folge von Wechselwirkungen zwischen Biomaterial und lebendem Organismus ist, ist ein besseres Verständnis für den Einfluss der Biomaterialoberfläche entscheidend. Daher konzentriert sich diese Dissertation auf die Untersuchung von Oberflächeneigenschaften und deren Wirkung auf biologische Systeme und verfolgt dabei zwei Ziele: Die Forschung zielte erstens darauf ab, ein tieferes Verständnis dafür zu entwickeln, wie Proteinadsorption mit makroskopisch messbaren Oberflächeneigenschaften zusammenhängt. Außerdem wurde die Entwicklung neuartiger Oberflächenmodifikationen angestrebt, die idealerweise proteinabweisende mit zelladhäsiven Eigenschaften zur späteren Anwendung in dentalen oder orthopädischen Implantaten in sich vereinen. Zu diesem Zweck wurde eine Vielzahl von Oberflächenmodifikationen entwickelt und auf geeigneten Modellsubstraten unter Verwendung von Silanchemie hergestellt.
Diese Arbeit ist in vier Teile unterteilt, die eine ähnliche Struktur aufweisen. Zunächst wurde die erfolgreiche Synthese der jeweiligen Beschichtungen über Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Infrarot (IR)-Spektroskopie und Kontaktwinkelmessungen mit Wasser bestätigt. Darüber hinaus wurden grundlegende physikochemische Eigenschaften der Oberflächenmodifikationen charakterisiert: Die freie Energie der Oberfläche (SFE) und das dynamische Benetzungsverhalten wurden mittels statischer Kontaktwinkelmessungen bzw. Tensiometrie analysiert. Das Zetapotential der Oberflächenfunktionalisierungen wurde mithilfe von Elektrophorese- oder Strömungsstrommessungen ermittelt. Des Weiteren wurde die Interaktion dieser Beschichtungen mit biologischen Systemen, d.h. die quantitative oder qualitative Proteinadsorption oder die anfängliche Zelladhäsion, untersucht.
Im ersten Kapitel wurde die Proteinadsorption auf einer Vielzahl von selbstorganisierenden Monoschichten (SAMs) mit unterschiedlichen terminalen funktionellen Gruppen untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Oberflächeneigenschaften, die ein breites Spektrum an Oberflächenbenetzbarkeiten, SFEs und Zetapotentialen abdecken, die qualitative und quantitative Proteinadsorption aus den untersuchten Biofluiden (menschlicher Speichel und menschliches Serum) wesentlich beeinflussen. Während einige Einzelproteine, am deutlichsten Lysozym, in ihrem Adsorptionsverhalten eindeutig grundlegenden physikochemischen Regeln folgten, konnte eine solche Abhängigkeit für die Mehrheit der Proteine nicht beobachtet werden. Die Mengen und Zusammensetzungen der adsorbierten Proteinschichten wurden deutlich durch die Eigenschaften der Oberflächen geprägt, aber es konnten keine einfachen Beziehungen zwischen Oberflächeneigenschaften und Proteinadsorption entdeckt werden.
Das zweite Kapitel konzentriert sich auf eine Gruppe von Oberflächenmodifikationen, die Ähnlichkeiten zu der Chemie des Poly(amidoamin) (PAMAM)-Dendrimers besitzen. Diese sechs Beschichtungen besitzen alle terminale und innere Aminogruppen, aber sie unterscheiden sich in Bezug auf die Anwesenheit innerer Amidgruppen und in Bezug auf ihre Struktur, da sie entweder kurzkettige Oligomere, linear Polymere oder Dendrimere sind. All diese Funktionalisierungen zeigten ein mäßig hydrophiles Verhalten, unterschieden sich jedoch signifikant in ihrem elektrokinetischen Verhalten. Es zeigte sich, dass die Proteinadsorption aus Einzelproteinlösungen sowie aus menschlichem Speichel und fetalem Rinderserum (FBS) stark vom Zetapotential gesteuert ist. Die beiden linearen Polymere, die durch ihre Flexibilität und Hydrophilie gekennzeichnet sind, zeigten ein proteinabweisendes Verhalten.
Neben den PAMAM-verwandten Beschichtungen wurden weitere Oberflächenmodifikationen auf der Basis von Osmolyten entwickelt, inspiriert von deren einzigartiger proteinstabilisierender Funktion in der Natur. Die Immobilisierung von Sulfobetain- oder Aminoxid-Gruppen führte zu hydrophilen Beschichtungen mit negativen Zetapotentialen unter physiologischen Bedingungen. Die Aminoxid-Modifikation, basierend auf dem Osmolyt Trimethylamin-N-oxid, zeigte eine ausgezeichnete proteinabweisende Wirkung.
Im letzten Kapitel wurden drei Amin-basierte Modifikationen unterschiedlicher Struktur für Zellexperimente auf Titansubstraten immobilisiert. Es wurde das Zellverhalten von Osteoblast-artigen MG-63-Zellen im Hinblick auf Zellausbreitung, Morphologie, Aktinzytoskelett und Zellzyklus in einem Zeitraum bis zu 24 h untersucht. Generell wurden nach einstündiger Kultivierung große Unterschiede im Zellverhalten beobachtet, die nach 24 h fast verschwunden waren. Eine drastisch erhöhte anfängliche Zellausbreitung wurde auf der Dendrimer-Beschichtung beobachtet, die sich durch eine große Dichte an Oberflächenaminogruppen und eine stark positives Zetapotential unter physiologischen Bedingungen auszeichnete.
Metadata last modified: 01 Jun 2022 06:28
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