Lasergenerierte funktionale Nanopartikel-Polymer-Komposite als Ionenfreisetzungssysteme für medizinische Anwendungen
Die Wundheilung beim Menschen ist ein äußerst komplexer Prozess, der insbesondere bei schweren Brandverletzungen aufgrund möglicher Infektionen einen langen Zeitraum in Anspruch nehmen kann. Durch die Verletzung ist der Haushalt der Metallionen, welche essentiell an der Wundheilung beteiligt sind, gestört. Ein vielversprechender Ansatz zur Unterstützung der Heilung liegt daher in der Ionenzugabe aus Verbandsmaterialien, wofür sich besonders lasergenerierte Nanopartikel-Polymer-Komposite anbieten.
In dieser Arbeit wurde die Herstellung eines Kompositmaterials mit lasergenerierten Nanopartikeln als Ionendepot, in situ eingebettet in eine Copolymermatrix, auf rein wässriger Basis durchgeführt. Dadurch konnten die hohen Reinheitsansprüche für medizinische Anwendungen erfüllt werden. Bei der Herstellung von Nanopartikeln wurde für eine möglichst hohe Produktivität eine Optimierung der Laser-, Prozess-, Material- und Fluidparameter durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine Untersuchung der Laser-Material-Wechselwirkung anhand der Erzeugung von laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen durchgeführt, wobei der Einfluss der Lösungsmitteleigenschaften auf die Strukurbildung gezeigt wurde. Dies ermöglichte ein besseres Verständnis des Laserabtragsprozesses.
Damit wurden Komposite mit unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt, welche anschließend durch Elektrospinnen zu einem Fasernetzwerk als Wundauflage oder durch Bioextrusion zu einem Scaffold weiterverarbeitet werden konnten. Die Systeme zeigten eine stabile Einbettung der Nanopartikel im Polymer sowie eine gute Biokompatibilität. Ionenfreisetzungsstudien belegten eine kontinuierliche Ionenabgabe eines oder mehrerer Elemente über einen Zeitraum von 105 h. Nach der Bestimmung des Ionengehalts in einer Wunde zu verschiedenen Heilungszeiten anhand von Rattenhaut zeigte dies, dass die Komposite für eine Unterstützung aller Heilungsstadien genutzt werden können. Zudem konnte durch die Eisenionenfreisetzung auch eine Verbesserung der Zelladhäsion und Viabilität von humanen Endothelzellen, sowie in ersten Experimenten ein Einfluss auf die frühe Stammzelldifferenzierung erzielt werden.
Die Studien dieser Arbeit zeigten, dass die hergestellten Nanopartikel-Polymer-Komposite durch ihre einfache und flexible Herstellung für verschiedene Anwendungen schnell angepasst und in verschiedenen Bereichen der Medizin angewendet werden können.
Human wound healing is a really complex process which could take a long time, especially for severe burn wounds due to infections. Caused by the thermal injury, the balance of metal ions, which are essentially involved in wound healing, is disturbed. A promising solution to support the wound healing process is the addition of ions by wound coverages. For this purpose the use of laser-generated nanoparticle-polymer composites is a very good opportunity.
In this work a composite material consisting of laser-generated nanoparticles serving as ion depot, embedded in situ into a copolymer matrix, was prepared using a completely water-based synthesis route. Thus, the high purity standard for medical applications was fulfilled. To reach the highest possible nanoparticle productivity, an optimization of laser, process, material and liquid parameters was conducted. In addition to that, an examination of the laser-material-interaction was made to get a better understanding of the laser ablation process. This was done by the generation of laser-induced periodic surface structures where the influence of the liquid characteristics on the formation mechanism was shown.
Using this synthesis route, composites of various compositions were prepared, which could be electrospun to a fiber network functioning as wound coverage or bioextruded to scaffolds. These systems showed a stable embedding of nanoparticles in the polymer matrix and a good biocompatibility. Ion release studies verified a continuous ion release of one or more elements for at least 105 h. After the determination of the content of ions in a wound at different wound healing durations using the skin of rats, it could be shown that the composite materials could be used to support all stages of wound healing. Additionally, the release of ions from iron nanoparticles led to an improved cell adhesion and viability of human endothelial cells, as well as first experiments showed an influence on the early differentiation of stem cells.
The studies of this work demonstrated, that the prepared nanoparticle-polymer composites could be quickly adapted for different applications due to their easy and flexible synthesis route. Therefore they could be used in many fields of medicine.
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