2015
Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014
Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-18
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-005104
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/462268/files/462268.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/462268/files/462268.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; UV-Laser (frei) ; Gradienten (frei) ; Proteine (frei) ; Laktose (frei) ; Zellwachstum (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Einsatz von UV-Laserstrahlung zur Aktivierung von PMMA wurde für technische Anwendungen bereits 1986 von Srinivasan et al. untersucht. Die nasschemische Funktionalisierung von PCL zur Entwicklung von Implantatoberflächen gehört zum Stand der Technik. Gegenstand dieser Arbeit ist, die Polymeroberflächen von PMMA und PCL mit Excimer-Laserstrahlung der Wellenlängen 193 nm und 248 nm zu aktivieren und diese anschließend nasschemisch mit bioaktiven Molekülen zu funktionalisieren. Es werden Prozessparameter (Fluenz, Pulszahl und Repetitionsrate) bestimmt und deren Einfluss auf die Aktivierung untersucht, die gleichzeitig eine intensive und zerstörungsfreie Aktivierung der Oberflächen erlauben. Die gute Kontrollierbarkeit der Laserbestrahlung und deren räumliche und zeitliche Auflösung lassen erwarten, dass sich die unterschiedlichsten Aktivierungsmuster realisieren lassen, um die Dichte funktioneller Gruppen auf den Polymeroberflächen zu steuern. Neben diskreten homogenen Strukturen werden Konzentrationsgradienten aus Peptiden hergestellt, mit denen die Zellproliferation beeinflusst werden kann. Dazu wird zum einen das Peptid RGD als Zellerkennungssequenz und zum anderen Laktose als Modellmolekül für Glykoproteine an die Oberflächen gebunden. Um eine hohe Intensität der Aktivierung zu erreichen und die Zerstörung der Oberfläche zu vermeiden, wird für beide Wellenlängen und Materialien die Abtragsschwelle sowie das Prozessfenster zur Aktivierung bestimmt. Zunächst muss die Fluenz einen Schwellwert überschreiten damit eine messbare Aktivierung der Oberfläche erfolgt. Die Erhöhung der Bestrahlungsdosis führt zu einer größeren Anzahl aktivierter Gruppen und dadurch zu einer höheren Funktionalisierungsdichte, bis es zur Zerstörung der Oberfläche kommt. Bei Aktivierung der PMMA und PCL Oberflächen entstehen aufgrund der unterschiedlichen Molekülstrukturen unterschiedliche Produkte. Während bei PMMA überwiegend MMA abgespalten wird, brechen bei PCL die Ketten lokal auf, bleiben aber miteinander verbunden. So vergrößert sich die Polymeroberfläche, und eine größere Anzahl aktiver Gruppen entsteht. Bei PMMA dagegen nimmt die Größe der Oberfläche nicht zu, wodurch ab einer gewissen Schwelle keine weiteren funktionellen Gruppen entstehen. Durch Bestrahlung mit der Wellenlänge 193 nm entstehen bis zu zehnmal mehr aktive Gruppen. Diese können in einem nachfolgenden Schritt aminiert werden. XPS-Untersuchungen und Waschexperimente zeigen, das Amingruppen an Proben, die mit 193 nm aktiviert werden kovalent gebunden sind und für die weitere Funktionalisierung zur Verfügung stehen. An Proben mit 248 nm-Aktivierung ist ein Großteil der Amingruppen nicht kovalent gebunden. In diesem Fall wird für eine weitere Funktionalisierung mit bioaktiven Molekülen eine Phosphatgepufferte Salzlösung (PBS, pH=7,4) zum Waschen verwendet, damit Proteine an der Oberfläche adsorbieren.Durch die Bestrahlung mit 193 nm-Strahlung entstehen an PMMA und PCL hauptsächlich Carboxylgruppen. Aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe in PMMA und PCL ist der thermische Einfluss gering. Für 248 nm-Strahlung liegt die optische Eindringtiefe in PMMA bei 0,96 µm und ist fünfmal so groß wie für 193 nm-Strahlung. Der thermische Einfluss auf die PMMA Oberflächen bewirkt, dass neben Carboxylgruppen auch CO2-Gruppen an der Oberfläche entstehen. Dadurch ist die Aktivierung unspezifischer. Für PCL liegt die optische Eindringtiefe bei 25 µm. Der Prozess mit dem die Polymerspaltung erfolgt ist derzeit unklar. Möglicherweise führt die eingebrachte Energie zu thermischen Effekten, so dass das PCL schmilzt oder kumulierte photochemische Effekte auftreten.Die aktivierten Oberflächen können zur Funktionalisierung mit bioaktiven Gruppen verwendet werden. RGD und Laktose binden an die Amingruppen. Zellbesiedlungsversuche zeigen, dass Zellen die unterschiedlichen Regionen der Funktionalisierungsdichte erkennen. Die Bestrahlung stellt also ein wirksames Verfahren dar, welches zu Herstellung von Oberflächen mit unterschiedlicher Funktionalisierungsdichte eingesetzt werden kann. Es erlaubt unterschiedliche Proteinkonzentrationen an die verschiedenen Polymeroberflächen zu binden. Herkömmliche Verfahren arbeiten bei der Bildung von Konzentrationsgradienten durch Bestrahlung mit starren Masken die eine Geometrie vorgeben. Sie sind an feste lineare Geometrie gebunden. Im hier untersuchten Verfahren kann die Probe oder der Laserstrahl frei bewegt werden. So können lineare Strukturen, Punkte unterschiedlicher Funktionalisierungsdichte oder andere freie Geometrien auf kleinstem Raum strukturiert werden. Dies erlaubt den Aufbau miniaturisierter Testsysteme, die die Testung eines Wirkstoffs in beliebig vielen Konzentrationen erlauben. Freie Geometrien werden benötigt, wenn Implantatmaterial lokal aktiviert werden soll, damit sie entweder zellabweisend oder zellwachstumsfördernd wirken. Auch können Wirkstoffe wie Medikamente in definierten Konzentrationen angebunden werden. Die Untersuchung ergibt, dass Proteine und Zuckermoleküle, hier Laktose, an die Oberflächen gebunden werden können. Die Herstellung von Oberflächen mit kontrollierter Funktionalisierungsdichte ermöglicht die Untersuchung von konzentrationsabhängigen Bindungseigenschaften von Zuckern, respektive Glykoproteinen. Dies eröffnet die Möglichkeit, in Zukunft mit neuen Testsystemen neue molekulare Merkmale auf Zuckerbasis zu entdecken, welche der Erkennung von Krankheiten dienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, dass die kontrollierte Aktivierung von PCL und PMMA mit UV-Excimerlaserstrahlung ermöglicht. Die Weiterentwicklung dieses Verfahrens, mit Hinblick auf einen deutlich reduzierten apparativen Aufwand, durch kleinere UV-Laserstrahlquellen wie Mikrochiplasern wird zur Entwicklung eines neuartigen Aktivierungsverfahrens für die Entwicklung konzentrationsabhängiger Hochdurchsatzverfahren führen.In 1986 Srinivasan et al. investigated surface activation of PMMA for technical applications. Wet chemical functionalisation of PCL for implant surfaces is already state of the art. The goal of this study is to show that PMMA and PCL surfaces can be activated by Excimer-laser irradiation with wavelength 193 nm and 248 nm. Activated surfaces will be wet chemically functionalized with bioactive molecules in a following step. Process parameters (fluence, number of pulses and repetition rate) have to be defined which allow an intensive but non-destroying activation of the surface. It is expected, that due to the high temporal and spatial resolution of laser irradiation a various numbers of activation pattern with various number of activated groups can be realized. By laser irradiation discrete homogeneous structures as well as concentration gradients of peptides will be generated. To show the functionality of surface activation on the one hand the peptide RGD will be linked to the activated surface and on the other hand lactose as a model for glycoproteins will be linked.To allow a high activation without destroying of surfaces the ablation threshold and the process window for both materials and wavelengths is determined. For first activation fluency needs to reach a threshold. The experiments show that a higher irradiation dose activates higher numbers of reactive groups which will afterwards allow a higher density of functional groups. Above the ablation threshold materials become destroyed. Various products of PMMA and PCL occur after surface activation. While MMA occurs after PMMA irradiation, PCL shows no side products. In PCL the polymer chains are locally damaged but stay linked. Therefore the polymer surface enlarges with a higher number of active groups. In PMMA the surface is not enlarged. Therefore only a limited number of active groups can be achieved. Irradiation at a wavelength of 193 nm leads to ten times higher amount of active groups, which can be shown by XPS analysis and fluorescence staining experiments. Amines are covalently linked to surfaces activated with 193 nm irradiation, while those on surfaces activated with 248 nm are mainly non-covalently linked. Therefore these samples have to be washed with phosphate buffered saline (pH=7.4), while linking proteins to the surface.By irradiation of PMMA and PCL with 193 nm irradiation carboxylic groups occur. Both materials show a low optical penetration depth, and therefore less thermal effects. The penetration depth for 248 nm in PMMA is around 0.96 µm. This leads to thermal effects in PMMA and the formation of CO2-Groups, which leads to an unspecific activation. The wavelength 248 nm has a penetration depth of 25 µm in PCL which most probably induces thermal effects such as melting or cumulated photochemical effects.The activated and aminated surfaces can be used for functionalization with bioactive groups. RGD and Lactose can be linked to amine groups. Cell culture tests show that cells recognize the different regions of functionalization density. This shows that irradiation with laser is an efficient tool for production of tailored surfaces with controlled number of functional groups. Current methods use inflexible mask based irradiation systems. These systems can only structure linear patterns. The benefit of laser systems for surface activation is that whether the sample or the laser beam can be moved which give the opportunity of free choice of geometries. The process allows structuring of linear structures as well as dots with various functionalization density as well as free geometries in small areas. This allows the design of new miniaturized test beds which give the opportunity to test substances for new medicine in various numbers of concentrations. On the other hand free geometries for the functionalization of implant surfaces are possible to make them whether cell repellent or adhesive. The linkage of sugar in various concentrations could be a method to investigate the concentration dependent binding properties of glycoproteins. This could lead to new test systems for the recognition of disease markers.This study shows a method which allows the controlled local activation of PCL and PMMA by UV-Excimer irradiation. In future studies the process could be modified toward smaller machines based on smaller UV-Laser sources such as microchip laser. This could allow the development of new activation processes for the concentration dependent high-throughput testing.
OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT018606180
Interne Identnummern
RWTH-2015-00510
Datensatz-ID: 462268
Beteiligte Länder
Germany
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