Patterning Strategies of Poly(ethylene glycol) Based Hydroxyapatite Composites for Biomedical Applications

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.

Author dc:creator

• Löbus, Axel

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus4-41483
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3801

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/4098