Analysis of cell specific responses to polymers, hydrogels, metals, adhesion ligands, laser-fabricated three-dimensional scaffolds, and topographically-functionalized materials for biomedical applications [Elektronische Ressource] / Sabrina Schlie

Sabrina Schlie

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 37
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Analysis of cell specific responses to polymers,
hydrogels, metals, adhesion ligands, laser-fabricated
three-dimensional scaffolds, and topographically-
functionalized materials for biomedical applications






Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des Grades einer



DOKTORIN DER NATURWISSENSCHAFTEN
Dr. rer. nat.



genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Biol. Sabrina Schlie
geboren am 05.10.1979, in Braunschweig

2009






















Referent: Prof. Dr. rer. nat. Anaclet Ngezahayo
Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. Boris N. Chichkov
Tag der Promotion: 15.12.2009








1 Zusammenfassung
Im Bereich Biomedizintechnik und Tissue Engineering ist die Analyse der Zell-
Material Wechselwirkungen von großer Wichtigkeit. Dabei ist auch die Anwend-
barkeit dreidimensionaler Strukturen und Materialien mit definierten Oberflächen-
topographien von Interesse. Diese wurden dank einer Kooperation in der Abteilung
Nanotechnologie im Laser Zentrum Hannover e. V. (Germany) nach dort etablierten
Methoden produziert und für die Zelluntersuchungen dieser Arbeit zur Verfügung
gestellt. Das Zellverhalten in Abhängigkeit der Materialien und Strukturen wurde
anhand DNA Schädigungen, Adhäsion, Morphologie, Proliferation, Orientierung und
Gap Junction Kopplung an verschiedenen Zelltypen charakterisiert.
Tissue Engineering beschäftigt sich mit der Herstellung dreidimensionaler Gewebe
und zellbeschichteter Strukturen, die transplantiert und somit die Gewebe-
regeneration verbessern sollen. Die Zwei-Photonen Polymerisationstechnik ermög-
licht das Design jeder beliebigen dreidimensionalen Struktur aus photosensitiven
Materialien. Je nach Aufbau der Struktur ordneten sich die Zellen auf, innerhalb
oder an den äußeren lateralen Grenzflächen an. Um zukünftig Strukturen gezielt
und kontrolliert mit Zellen besiedeln zu können, wurde der Laser-Induced Forward
Transfer getestet. Mit diesem Vorgang konnten die Zellen präzise angeordnet
werden und wurden in ihrem Verhalten nicht negativ beeinträchtigt.
Mit Hilfe von Funktionalisierungsmethoden wird nach Materialien gesucht, die
selektiv das Zellverhalten steuern und kontrollieren, um die Implantatintegration in
das Gewebe zu fördern. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine selektive
Zellkontrolle in Abhängigkeit der Materialhydrophobizität und Vernetzbarkeit möglich
ist. Außerdem wurde in dieser Arbeit getestet, ob Oberflächentopographien für
diesen Zweck geeignet sind. Auch in Abhängigkeit der Struktur wurde eine selektive
Zellkontrolle beobachtet.
In Hinblick auf die Ergebnisse und spezifischen Adhäsionskinetiken und -mustern
wurde vermutet, dass sich die Adhäsionsmechanismen der Zelltypen unterscheiden
müssen. Daraufhin wurde der Einfluß vier verschiedener Adhäsionsliganden auf das
Zellverhalten untersucht. Das Verhalten war nicht nur von der Ligandenkonzen-
tration abhängig, es erfolgte außerdem in einer zellspezifischen Ligandenrangfolge.
Diese Erkenntnisse können nicht nur die beobachtete selektive Zellkontrolle von
Biomaterialien erklären, sondern erleichtern die Materialsuche für zukünftige
biomedizinische Anwendungen.
Schlagworte: Tissue Engineering, Nanotechnologie, Zellbiologie
1
2 Abstract
In the field of biomedicine and tissue engineering the interactions between cells and
biomaterials are of great importance. Furthermore, the use of three-dimensional
scaffolds and defined surface topographies is of interest. All structures were
produced by established techniques at the Nanotechnology Department of the Laser
Zentrum Hannover e. V. (Germany) and placed at the disposial for cell experiments
performed in this work. Cellular behavior in dependence of the applied materials and
structures was characterized via DNA damage effects, adhesion, morphology,
proliferation, orientation, and gap junction coupling with various cell types.
In the field of tissue engineering, there is a demand to create functioning three-
dimensional tissues and cell-coated scaffolds that shall be transplanted to improve
tissue regeneration. The two-photon polymerization technique enables the design of
any desired three-dimensional scaffold composed of photosensitive materials. In
dependence of size and structure dimensions cells either fell within the features, lay
on the top or adhered on lateral surfaces. To generate tissues and pre-coat the
scaffolds with cells in a controlled manner, the laser-induced forward transfer was
tested. It was demonstrated that cells could be transported and arranged in defined
patterns. Furthermore, this procedure did not harm the cells with respect to DNA
strand breaks and proliferation.
With the help of functionalization methods materials shall be produced that provide a
selective cell control to improve implant adaptation. In this work it was shown that
cellular behavior can be controlled by material hydrophobicity and crosslinking
density. Furthermore, the effectiveness for cell control of different surface
topographies was analyzed. It was found that the used surface features enabled a
cell specific control of cellular responses.
With respect to the results and the fact that adhesion pattern and kinetic were cell
specific, it was supposed that the selective cell control of materials is caused by cell
specific differences in adhesion mechanism. For this purpose, the influence of four
different adhesion ligands on cellular behavior was investigated. It was found that
the cells respond to all used ligands with a cell specific priority ranking. Moreover,
cell behavior was dependent on ligand concentration. These findings explain the
observed results and facilitate the material search and functionalization for future
biomedical applications.
Keywords: Tissue Engineering, Nanotechnology, Cellbiology
2
3 Outline
1 ZUSAMMENFASSUNG....................................................................... 1
2 ABSTRACT ......................................................................................... 2
3 OUTLINE ............................................................................................. 3
4 ABBREVIATIONS ............................................................................... 6
5 INTRODUCTION ................................................................................. 7
5.1 TISSUE ENGINEERING...............................................................................7
5.1.1 Scaffold fabrication ............................................................... 8
5.1.2 Scaffold coating with cells................................................... 10
5.2 MATERIAL FUNCTIONALIZATION ..............................................................11
5.2.1 Fabrication of defined surface topographies ....................... 11
5.3 BIOMATERIAL CELL INTERACTIONS .........................................................12
5.3.1 Biocompatibility................................................................... 13
5.3.2 Adhesion............................................................................. 13
5.3.3 Adhesion effects on the cytoskeleton.................................. 19
5.3.4 Adhesion correlates with direct gap junction coupling......... 20
5.4 AIM OF THIS STUDY................................................................................22
6 MATERIALS AND METHODS .......................................................... 24
6.1 LASER TECHNOLOGIES ..........................................................................24
6.2 INVESTIGATED MATERIALS.....................................................................24
6.2.1 Polymers and polymer processing...................................... 24
6.2.2 Hydrogels............................................................................ 25
6.2.3 Metals ................................................................................. 27
6.2.4 Surface coating with adhesion ligands................................ 27
6.2.5 Material characterization..................................................... 28
6.3 MATERIALS FOR CELL CULTURE .............................................................28
6.3.1 Sterilization ......................................................................... 28
6.3.2 Cell culture on three-dimensional scaffolds ........................ 29
6.4 CELL CULTURE EXPERIMENTS.................................................................29
6.4.1 Cell culture.......................................................................... 29
6.4.2 Analysis of DNA damage effects......................................... 30
6.4.3 Adhesion kinetic.................................................................. 31
6.4.4 Microscopic analysis ........................................................... 32
6.4.5 Proliferation assay ...................