Cell-Surface Interactions Controlled by Surface Modifications with Polyelectrolyte Multilayers

Die Interaktion zwischen Zellen und medizinischen Implantaten erfolgt an ihrer Grenzfläche, wobei Materialoberflächeneigenschaften eine entscheidende Rolle spielen. Zellen interagieren nicht direkt mit Oberflächen der Materialen, sondern erkennen biologisch aktive Proteine, die sich an das Material adsorbieren. Diese Dissertation untersuchte Zell-Oberflächen-Interaktionen, indem Oberflächeneigenschaften des Substrats verändert und die biologischen Zellreaktionen in Kontakt mit diesen Oberflächen charakterisiert wurden. Polyelektrolyt (PE)-Multischichtbeschichtungen (PEM) wurden verwendet um Oberflächen präzise zu modifizieren. ... mehrVariationen von Oberflächeneigenschaften wurden durch Verwendung von synthetischen und natürlichen Polyelektrolytpaaren, unterschiedlichen Terminierungen (negativ oder positiv) und veränderten Beschichtungsbedingungen erreicht. Oberflächeneigenschaften wie Zeta-Potential, Wasserkontaktwinkel, Rauigkeit, Oberflächenviskosität und Elastizität wurden gemessen, wodurch Unterschiede in den Eigenschaften der modifizierten Oberflächen bestimmt wurden. Die Proteinadsorption auf diesen modifizierten Oberflächen wurde untersucht und zeigte, dass das Adsorptionsverhalten mit der Oberflächenladung und der intrinsischen Überschussladung variierte, was die Menge der adsorbierten Proteine beeinflusste. Neutronenreflektometrie lieferte Einblicke in die Dicke, Dichte und den Wassergehalt von PEM-Filmen, die durch Proteinadsorption verändert wurden. Experimente mit Endothelzellen (HUVEC) wurden auf diesen modifizierten Oberflächen durchgeführt, um Effekte auf Zellverhalten zu prüfen. Die PEM-Modifikation ermöglichte es, Oberflächen von zell-adhäsiv zu nicht-adhäsiv (und umgekehrt) zu wechseln und die Anzahl der haftenden Zellen präzise zu kontrollieren, wodurch mehrere Korrelationen mit den Oberflächeneigenschaften aufgedeckt wurden. Oberflächenrauigkeit und Elastizität korrelierten stark mit der Zelladhäsion. Höhere Mengen adsorbierender Proteine korrelierten mit einer höheren Anzahl anhaftender Zellen. Zellen zeigten mehr Affinität zu negativ geladenen Oberflächen mit zunehmender Scherviskosität und zu positiv geladenen Oberflächen mit abnehmender Scherviskosität. Eine Zunahme des Wassergehalts in PEM-Filmen korrelierte direkt mit einer Zunahme der Anzahl haftender Zellen. Die Dissertation untersuchte auch die Immunantwort auf diese Oberflächen. Menschliche Endothelzellen wurden mit diesen Oberflächen in Kontakt gebracht, um die Vorläuferreaktion der Immunantwort zu simulieren. Die Aktivierung des Nuklearfaktors Kappa B (Nf-κB)-Signalwegs und die anschließende Sekretion proinflammatorischer Interleukine wurden gemessen. Höhere Oberflächenrauigkeit und Elastizität zeigten eine Reduktion der proinflammatorischen Signalgebung in Zellen, die durch Fremdkörperoberflächen gestresst wurden. Bestimmte PEM-modifizierte Oberflächen verringerten signifikant die Expression proinflammatorischer Signalmoleküle, was das Potenzial dieser Modifikationen zur Verbesserung der Biokompatibilität medizinischer Implantate hervorhebt. Diese Erkenntnis ist bedeutend für biomedizinische Anwendungen, wie z.B. kardiovaskuläre Stents, bei denen Oberflächenmodifikationen die Zelladhäsion fördern und Entzündungen reduzieren können.

The interaction between cells and medical implants occurs at their interface, where material surface properties play a crucial role. Cells do not directly interact with surfaces of the material but recognize biologically active proteins that adsorb to the material. This dissertation investigated cell-surface interactions by adjusting substrate surface properties and characterizing the biological cell responses in contact with these surfaces. Polyelectrolyte (PE) multilayer (PEM) coatings were used to precisely modify surfaces. Variations in surface properties were achieved through the use of synthetic and natural polyelectrolyte pairs, different terminations (negative or positive), and altered coating conditions. ... mehrSurface properties such as zeta potential, water contact angle, roughness, surface viscosity, and surface elasticity were measured, revealing differences in the characteristics of modified surfaces. Protein adsorption on these modified surfaces was studied, showing that adsorption behavior varied with surface charge and intrinsic excess charge, influencing the amount of adsorbed proteins. Neutron reflectometry provided insights into the thickness, density, and water content of PEM films altered by protein adsorption. Experiments with endothelial cells (HUVEC) were conducted on modified surfaces to prove effects of surface properties on cellular behavior. The PEM modification system allowed surfaces to be switched from cell-adhesive to non-adhesive (and vice versa) and enabled precise control over the number of adhering cells, revealing several correlations with surface properties. Surface roughness and elasticity strongly correlated with cell adhesion. Higher amounts of adsorbed proteins correlated with greater numbers of adhered cells. Cells showed more affinity towards negatively charged surfaces with increasing shear viscosity and towards positively charged surfaces with decreasing shear viscosity. An increase in water content in PEM films directly correlated with an increase in the number of adhering cells. The dissertation also explored the immune response to surfaces. Human endothelial cells were brought into contact with these surfaces to simulate the precursor reaction of the immune response. The activation of the nuclear factor kappa B (Nf-κB) pathway and subsequent secretion of pro-inflammatory interleukins were measured. Higher surface roughness and elasticity were found to reduce pro-inflammatory signaling in cells stressed by foreign body surfaces. Certain PEM-modified surfaces significantly decreased the expression of pro-inflammatory signaling molecules, highlighting the potential for these modifications to improve the biocompatibility of medical implants. This finding is significant for biomedical applications, such as cardiovascular stents, where surface modifications can promote cell adhesion and reduce inflammation.