Surface functionalization for tissue analog of blood contacting materials

• Autorzy: Major, R. , Lackner, J. M. , Wilczek, P. , Sanak, M. , Sobota, M. , Kowalczuk, M. , Marczak, J. , Maksymow, K. , Major, B.

Warianty tytułu

PL

Funkcjonalizacja powierzchniowa pod analogi tkankowe biomateriałów do kontaktu z krwią

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Selection of materials designed for surface modification of blood contacting polymer devices has been made. The materials like: TiN, Ti(C, N) and a-C:H (DLC doted with Si or Ti) were selected. Fabrication of functional coatings on polymer surfaces modified using surface engineering methods was realized. It determines an essential progress in problems development leading to fabrication of a final organic coating contacting with blood. This has been postulated by medical doctors. Biomimetic surface modification in direction of extracellular matrix (ECM) formation onto implant surfaces of cardiovascular devices seems to be a perspective method for hemocompatibility improvement. Re-creation of internal structure of vessel wall could be a good solution which allows a long term implantation. For optimization of cell growth it is an essential creation of a suitable spatial scaffold architecture on which cells are deposited. In reality, cells do not go into a direct contact with the material of scaffold, but always joint with a layer of adsorbed respective proteins which nature state and type have an essential influence on cell adhesion. Research work has been performed in area of four problems i.e. (i) cell migration inside migration channels, laser ablation was used for channel fabrication; (ii) analysis of protein adsorption with application of Foetal Buffer Serum, adsorption of albumin was studied, (iii) surface functionalization with application of electrospinning and polyelectrolites which in subsequent stages should lead to design of tissue analog; (iv) analysis of survival and endothelium cell proliferation, human endothelium cells HUVEC line were used in the study. Structure diagnostic was carried out with application of confocal microscopy dedicated to biomedical studies. Reaction of cell-material was studied in static and dynamic conditions.

PL

Na podstawie zrealizowanych badań strukturalnych i diagnostyki biomedycznej dokonano selekcji materiałów przeznaczonych do modyfikacji powierzchni elementów polimerowych przewidzianych do kontaktu z krwią. Wytypowano następujące materiały: stechiometryczny TiN, Ti(C, N) oraz a-C:H (DLC dotowane Si lub Ti). Wykonano funkcjonalne powłoki na materiałach poliuretanowych zmodyfikowanych metodami inżynierii powierzchni. Stanowi to bardzo istotny postęp w rozwoju problematyki i prowadzi do uzyskania organicznej finalnej powłoki kontaktowej z krwią, co postulowane jest przez lekarzy. Biomimetyczna modyfikacja powierzchniowa w kierunku struktury macierzy zewnątrzkomórkowej implantów układu sercowo-naczyniowego jest obiecującą metodą poprawy hemozgodności. Odtworzenie struktury wewnętrznej ściany naczynia może być właściwym rozwiązaniem pozwalającym na długoterminową implantację. W celu optymalizacji wzrostu komórek istotne jest odtworzenie właściwej przestrzennej architektury rusztowania, na którym są osadzane komórki. W rzeczywistości komórki nie wchodzą w bezpośredni kontakt z materiałem rusztowania, ale zawsze łączą się z warstwą zaadsorbowanych odpowiednich białek, których natura i typ ma istotny wpływ na adhezję komórkową. Badania prowadzono w obszarze czterech zagadnień: (i) migracji komórkowej na materiałach z kanalikami migracyjnymi uzyskanymi metodą ablacji laserowej; (ii) analizy adsorpcji białek z zastosowaniem surowicy cielęcej (Foetal Buffer Serum), analizowano adsorpcję albuminy; (iii) funkcjonalizacji powierzchni z zastosowaniem polielektrolitów, które w dalszych etapach powinno doprowadzić do konstrukcji analogu tkankowego; (iv) analizy przeżywalności i proliferacji komórek śródbłonka, do badań zastosowano ludzkie komórki śródbłonka linii HUVEC. Diagnostykę strukturalną realizowano z zastosowaniem mikroskopu konfokalnego dedykowanego do badań biomedycznych. Oddziaływanie materiał-komórka rozważane było w warunkach statycznych i dynamicznych.

Słowa kluczowe

PL

biomateriały; powłoki; diagnostyka; struktura; adhezja komórek

EN

biomaterials; coatings; diagnostics; structure; cell adhesion

• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 32, nr 4
• Strony: 545-548
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Major, R.

autor

Lackner, J. M.

autor

Wilczek, P.

autor

Sanak, M.

autor

Sobota, M.

autor

Kowalczuk, M.

autor

Marczak, J.

autor

Maksymow, K.

autor

Major, B.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie,

Bibliografia

• [1] Leung B. M. and Sefton M. V.: A modular tissue engineering construct containing smooth muscle cells and endothelial cells. Annals of Biomedical Engineering 35 (12) (2007) 2039÷2049.
• [2] Hynes Richard O.: The dynamic dialogue between cells and matrices: Implications of fibronectin’s elasticity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (1999) 2588÷2590.
• [3] Miller J. C, Haglund R. F. Jr, Eds.: Laser ablation and desorption. Academic Press, San Diego, Vol. 30 (1998).
• [4] Lackner J. M.: Industrially-scaled hybrid Pulsed Laser Deposition at room temperature, Published by Orekop sc., Kraków, Poland (2005).
• [5] Venables J.: Introduction to surface and thin film processes. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62460-6 (2000).
• [6] Pimpinelli A., Villain J.: Physics of crystal growth. Cambridge University Press. ISBN 0-521-55198-6 (1998).
• [7] Oura K., Lifshits V. G., Saranin A. A., Zotov A.V., Katayama M.: Surface science: An introduction. Springer, ISBN 3-540-00545-5, Berlin (2003).
• [8] Eaglesham D. J., Cerullo M.: Dislocation-free Stranski-Krastanow growth of Ge on Si(100). Physical Review Letters 64 (16) (1990) 1943÷1946.
• [9] Stranski N. I., von Krastanow L.: Abhandlungen der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Klasse. Akademie der Wissenschaften und der Literatur in Mainz 146 (1939) 797÷814.
• [10] Ready J. F. (ed): LIA Handbook of laser materials processing. Laser Institute of America (2001).
• [11] Khademhosseini Ali, Suh Kahp Y., Yang Jen M., Eng George, Yeh Judy, Levenberg Shulamit, Langer Robert: Layer-by-layer deposition of hyaluronic acid and poly-l-lysine for patterned cell co-cultures. Biomaterials 25 (2004) 3583÷3592.
• [12] Tang Zhiyong, Wang Ying, Podsiadlo P., Kotov N. A.: Biomedical applications of layer-by-layer assembly: From biomimetics to tissue engineering. Adv. Mater. 18 (2006) 3203÷3224.
• [13] Semenov O. V., Malek A., Bittermann A. G., Voros J., Zisch A. H.: Engineered polyelectrolyte multilayer substrates for adhesion, proliferation, and differentiation of human mesenchymal stem cells. Tissue Eng. A 15 (10) (2009).
• [14] Wong Ieong, Ho Chih-Ming.: Surface molecular property modifications for poly(dimethylsiloxane) (PDMS) based microfluidic devices. Microfluid Nanofluid Review DOI 10.1007/s10404-009-0443-4, March (2009).
• [15] Ballet T. L., Boulange L., Brechet Y., Bruckert F., Weidenhaupt M.: Protein conformational changes induced by adsorption onto material surfaces: an important issue for biomedical applications of material science. Bull. Pol. Ac.: Tech. 58 (2) (2010) 303÷315.
• [16] Fibronectin (pure) Roche Diagnostics GmbH. Roche Applied Science 68298 Mannheim Germany.
• [17] Picart C., Mutterer J., Richert L., Luo Y., Prestwich G. D., Schaaf P., Voegel J. C., Lavalle P.: Molecular basis for the explanation of the exponential growth of polyelectrolyte multilayers. PNAS 99 (20) (2002) 12531÷12535.
• [18] Richert L., Boulmedais F. L., Mutterer J., Ferreux E., Decher G., Schaaf P., Voegel J.-C., Picart C.: Improvement of stability and cell adhesion properties of polyelectrolyte multilayer films by chemical cross-linking. Biomacromolecules 5 (2004) 284÷294.
• [19] Sanak M., Jakiela B., Wegrzyn W.: Assessment of hemocompatibility of materials with arterial blood flow by platelet functional tests. Bull. Pol. Ac.: Tech. 58 (2) (2010) 317÷322.
• [20] Germanier Y., Tosatti S., Broggini N., Textor M., Buser D.: Enhanced bone apposition around biofunctionalized sand-blasted and acid-etched titanium implant surfaces. A histomorphometric study in miniature pigs. http://www.novaresearch.it/public/File/Germanier_et_al_submitted.pdf.
• [21] Morgenthaler S., Zink Ch., Städler B., Vörös J., Lee S., Nicholas D., Spencer N. D., Tosatti S. G. P.: Poly L-lysine-grafted-polyethylene glycol- -based surface-chemical gradients. Preparation, characterization, and first applications. Biointerphases 1, 4, American Vacuum Society Dec. (2006).