Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3801
Main Title: Patterning Strategies of Poly(ethylene glycol) Based Hydroxyapatite Composites for Biomedical Applications
Translated Title: Strukturierungsmethoden von Poly(ethylenglykol) basierten Hydroxylapatit Kompositen für Biomedizinische Anwendungen
Author(s): Löbus, Axel
Referee(s): Lensen, Marga C.
Taubert, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorgelegte Arbeit beinhaltet zwei fundamental unterschiedliche Herangehensweisen, Soft Lithographie in Form von Fillmolding In Capillaries (FIMIC) und die Fabrikation von 3D Werkzeugen um kontrolliertes Zelladhäsionsverhalten durch gezielte chemische Strukturierung zu erreichen. Es ist weithin akzeptiert, dass das Verständnis für Proteinadsorption und Zelladhäsionsverhalten auf Oberflächen und Grenzflächen für die Entwicklung zeitgemäßer Biomaterialien von großer Bedeutung ist. Deshalb wurden in dieser Thesis Kalziumphosphate, insbesondere Hydroxylapatit (HAp) mit dem Ziel verwendet unterschiedlich HAp-responsive Zelltypen, Osteoblasten (Maus-Osteoblasten ähnlich MC3T3-E1) und Fibroblasten (Maus-Fibroblasten L-929), auf chemisch strukturierten Hydrogel Oberflächen anzusiedeln und vergleichend zu untersuchen. Daher wurden Poly(ethylen glykol) basierte Hydrogele und HAp eingesetzt um verschiedene inorganisch-organische Hydrogel Komposite zu formen. Dabei war es Ziel, das intrinsische proteinabweisende Verhalten von PEG basierten Hydrogelen und die proteinanziehenden Eigenschaften von HAp basierten Keramiken auszunutzen um mikrostrukturierte Oberflächen zu designen, in denen bioinerte und bioaktive Areale direkt einander angrenzen. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die örtlich kontrollierte Einbringung von HAp das Adhäsionsverhalten von HAp affinen Osteoblasten bestimmt. Das steht im Gegensatz zu Fibroblasten, wo dieser Effekt nicht beobachtet werden konnte und demonstriert das Potential dieses Ansatzes, gewünschte spezifische Zell-Substrat Wechselwirkung zu fördern und zwischen unterschiedliche Zelltypen mit variiernder Affinität zu chemischen Substanzen zu selektieren. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die soft lithographische FIMIC Methode in erster Linie dafür eingesetzt um das lokal kontrollierte Adhäsionsverhalten von Osteoblasten zu zeigen, ein Effekt der für Fibroblasten nicht nachgewiesen werden konnte. Dafür wurden aus linearem PEG und entsprechenden Salzlösungen mittels Abscheidungsreaktion physikalisch gemischte (PEG HAp NPs) und chemisch synthetisierte (PEG nHAp) PEG HAp Hydrogel Komposite produziert und verglichen. Es stellte sich durch Experimente zur Proteinadsorption mit dem Modell-Protein Bovine Serum Albumin (BSA) heraus, dass aufgrund der inherenten überlegenen Homogenität von PEG nHAp eine weitaus höhere Bioaktivität erreicht wird als bei PEG HAp NPs. Dabei wird das Prinzip bestätigt, in welchem durch erfolgreiche chemische Oberflächenstrukturierung für gezielte Zellarten Kontrolle über die Zell-Substrat Interaktion gewonnen werden kann. In diesem Rahmen wurde Rasterkraftmikoskopie (AFM) zur physischen und mechanischen Untersuchung der erzeugten FIMIC Plattformen in trockenem und hydratisierten Zustand eingesetzt, da dies eine absolut notwendige in-situ Charakterisierungmethode für biologische Anwendung darstellt. Darüber hinaus untersucht diese Methode, dass Adhäsionsmuster der Zellen nicht durch topographische Eigenschaften des Substrates dominiert werden. Die weitergehende Strukturierung von FIMIC Plattformen mit örtlich und zeitlich kontrollierter HAp Disposition von Simulated Body Fluid (SBF) über eine Zeitspanne von 10 Tagen war der abschließende Schritt in dem Vergleich zwischen PEG nHAp und PEG HAp NPs. Es zeigte sich, dass PEG nHAp im Gegensatz zu PEG HAp NPs sich ausgezeichnet eignet um HAp lokal gezielt und zeitlich kontrolliert nukleieren zu lassen. Der hierin präsentierte Vergleich physikalischer und chemischer Hydrogel-basierter Verbundwerkstoffe könnte als Modellsystem dienen um die Notwendigkeit zu demonstrieren, chemische inorganische-organische Komposite entsprechenden Physikalischen vorzuziehen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden poröse Gerüste (scaffolds) aus chemisch synthetisierte PEG HAp (8PEG HAp) Hydrogel Komposite aus sternartigem PEG sowie entsprechender Salzlösungen mittels Abscheidungsreaktion und darauffolgender Gefriertrocknung hergestellt. Diese besitzen die Fähigkeit der Funktionalisierung mit biologischen und chemischen Reaktanten nach der Gerüstformung sowie die nötigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften für den Einsatz als Gewebeersatzwerkstoff. Die generelle Idee war es 3D Strukturen zu fertigen, die auf der einen Seite nach der Formgebung noch weiter chemisch funktionalisierbar sind und des weiteren über aktive HAp Domänen an der Oberfläche verfügen. Dies wurde durch die demonstrierte Anbindung eines Modellmoleküles in Form eines Modellmoleküls eines SH dye sowie die erfolgreiche homogene Adsorption des HAp reaktiven Modelproteins Bovine Serum Albumin (BSA) erreicht. Im Anschluss zeigten Fibroblasten und Osteoblasten unterschiedliche Adhäsionmuster in Hinsicht auf Anzahl der adhärierten Zellen und Zellmorphologie. Im Kontrast zu Fibroblasten bedeckten Osteoblasten beinahe das gesamte Substrat bei starker Zellspreitung, was gemeinhin als Zeichen starker Zell-Oberflächen Wechselwirkung angesehen wird. Zudem verfügen die produzierten 3D Strukturen über Porgrößen von über 100 µm, welche für Vaskularisation und Mediumtransport notwendig sind um somit Funktion und schnelles Einwachsen bei potentieller Anwendung als Gewebeersatz zu garantieren.
This thesis comprises to fundamentally different approaches, namely softlithographic surface patterning (Fillmolding in Capillaries) and fabrication of 3D crafts in order to pursue the same goal; controlled cellular adhesion behavior on the basis of localized chemical functionalization. It is commonly accepted that the understanding of protein adsorption and cell adhesion behavior on engineered surfaces and interfaces is essential for the successful development of novel biomaterials. In the course of this thesis, chemical functionalization with calcium phosphates, in particular hydroxyapatite (HAp), intended to compare cellular response of different cell types, namely osteoblasts (mouse osteoblasts MC3T3-E1) and fibroblasts (mouse fibroblasts L-929) in order to reveal guided osteoblast adhesion on specifically chemically patterned hydrogel substrates. Therefore, Poly(ethylene glycol) (PEG) based hydrogels and HAp were utilized in order to form various polymer-inorganic hybrid composites. The objective was to exploit the intrinsic protein repellent behavior of PEG-based hydrogels and the protein attractive properties of HAp-based ceramics in order to produce surface patterns of adjacent bioactive and bioinert properties. Thus, it could be demonstrated that spatially controlled introduction of HAp on micropatterned surfaces could determine the adhesion pattern of HAp affine osteoblast. This stands in opposite to fibroblast where this effect could not be observed. This displays the potential of this approach to promote specific cell-substrate interaction of desired cell phenotypes and distinguish between several cell lines exhibiting varying affinity to a particular chemical pattern. The softlithographic FIMIC method was utilized in the first part to demonstrate that targeted surface patterning with HAp may control adhesion pattern and site of osteoblasts, but in contrast does not show the same effect for fibroblast. This verifies the principle of successful chemical patterning for a specific cell types, yielding control over cellular response due to cell substrate interaction. Atomic Force Microscopy was applied for the physical and mechanical characterization of as prepared FIMIC platforms in hydrated state, a necessary requirement for in situ characterization in biological application as well as in order to exclude topography as dominant factor of adhesion. Post fabrication patternability with spatial and chronological resolution of HAp nucleation from Simulated Body Fluid was carried out as concluding step in the comparison between physically mixed (PEG HAp NPs) and chemically synthesized (PEG nHAp) PEG HAp composites. It could be revealed that PEG nHAp allows precise control regarding site and density of HAp nuclei deposition in opposite to PEG HAp NPs. This may serve as a model system to demonstrate the necessity and feasibility of chemical inorganic-organic composites towards their physical counterparts. In the second part, porous scaffolds made of chemically synthesized star-shaped PEG HAp (8PEG HAp) hydrogel composites were produced, which combine readiness of functionalization with biological or chemical cues with physical and mechanical suitability for tissue replacement. The general idea was to fabricate 3D structures, which possess post fabrication functionalization ability via residual carbon double bonds and chemically active HAp. This was proven via the successful cleavage of model molecule in form of an SH dye and the homogeneous adsorption of the HAp reactive model protein Bovine Serum Albumin (BSA). In conclusion, fibroblast and osteoblast displayed distinct adhesion patterns regarding number of adhered cells and cell morphology. In contrast to fibroblasts, osteoblasts covered almost the entire craft and showed strong spreading, which is generally related to strong cell-substrate interaction. Moreover could be monitored that scaffolds exhibited a pore size structure suitable for vascularization and medium transport, which is indispensable for function and quick ingrowth to the host if considered as potential replacements in tissue engineering.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-41483
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4098
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3801
Exam Date: 9-Jun-2013
Issue Date: 20-Sep-2013
Date Available: 20-Sep-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Komposit
Hydroxylapatit
Polyethylenglykol
Oberflächenstrukturierung
Composite
Hydroxyapatite
Polyethyleneglycol
Surface Patterning
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