Protein and Cell Interactions with Nanostructured Surfaces
Doktorsavhandling, 2017

A great challenge of today’s implant development is to construct a surface that promotes tissue integration and avoids bacterial colonization. To avoid implant related infections, many argue that a surface promoting strong cell adhesion and tissue integration in favour for bacterial adhesion would solve the problem, the so-called race for the surface concept. However, important factors for tissue integration, such as roughness and surface chemistry, also affect the adhesion of bacteria and many surface features promoting tissue integration have been found to promote biofilm formation. Nanotechnology and the development of nanomaterials have resulted in the opportunity to design tailor made nanostructured implants with novel topographical and chemical surface properties. Such surface features have demonstrated its effect on protein adsorption, cellular interactions, tissue integration and bacterial accumulation. The development of using nanomaterials in medical device applications has only just begun and there is a large need for fundamental studies on the biological response to nanostructured biomaterials. The main objective of this thesis was to use nanoparticles to modify implant surfaces and study its effect on biomolecules, human cells, bacteria and immune reactions. More specifically, we wanted to investigate if surface modifications created by introducing nanotopography, favourable chemical species and crystal structure using different nanoparticles would alter the surface properties and subsequent impact on protein adsorption, human cell attachment and bacteria. In order to achieve these objectives, nanostructured surfaces were constructed using hydroxyapatite, titanium dioxide and silica nanoparticles with the use of three different approaches for immobilizing the nanoparticles onto the underlying substrate. Hydroxyapatite (HA) nanoparticles were applied to titanium substrates by spin coating, titanium dioxide nanoparticles were attached to titanium substrates using an alkoxide thin film as adhesive and silica nanoparticles were immobilized on silica substrates using self-assembly strategies and electrostatic interactions. The surfaces were characterized using various analytical techniques, such as SEM, AFM and XPS etc.  It was found that HA nanoparticles applied on titanium substrates did not affect the attachment and spreading of fibroblasts compared to uncoated titanium. Additionally, HA nanoparticles of different shapes and chemistry, coated onto titanium discs, did not increase Staphylococcus epidermidis biofilm formation compared to uncoated titanium. The developed TiO2 nanoparticle coating was photocatalytically active and found to elicit bactericidal properties upon UV irradiation. Studying the effect of silica nanoparticle curvature on immune complement activating proteins, it was found that smaller nanoparticles/high curvature significantly reduced the binding of complement protein C1q. Additionally, NMR was used to study the adsorption of human serum metabolites onto silica nanoparticles of various sizes and surprisingly, a curvature-dependent effect on the adsorption of several small metabolic molecules was found.

bacteria

titanium dioxide

implant associated infections

metabolomics

cellular interactions

hydroxyapatite

immune complement activation

silica

nanoparticles

photocatalysis

protein adsorption

Nanostructured implants

VASA A, Vera Sandbergs Allé 8.
Opponent: Prof. Thomas Arnebrant, Malmö Högskola, Malmö, Sverige

Författare

Emma Westas

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi, Teknisk ytkemi

Biofilm formation on nanostructured hydroxyapatite-coated titanium

Journal of Biomedical Materials Research - Part A,; Vol. 102(2014)p. 1063-1070

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Using QCM-D to study the adhesion of human gingival fibroblasts on implant surfaces

Journal of Biomedical Materials Research - Part A,; Vol. 103(2015)p. 3139-3147

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Bactericidal effect of photocatalytically-active nanostructured TiO2 surfaces on biofilms of the early oral colonizer, Streptococcus oralis

Journal of Biomedical Materials Research - Part A,; Vol. 105(2017)p. 2321-2328

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Westas Janco, E. Hulander, M. Andersson, M. Curvature-dependent effects of nanotopography on classical immune complement activation

Westas Janco, E. Pedersen, A. Björkegren, S. Andersson, M. Nanoparticle size influences the adsorption of human serum metabolites

Ett implantat är ett konstgjort objekt tillverkat för att ersätta ett saknat biologiskt objekt och/eller en biologisk funktion. Implantat kan till exempel vara ett tandimplantat som sitter fast i käkbenet, ett syntetiskt blodkärl i plast, en höftled i metall, en benförankrad hörapparat som återställer hörseln eller en pacemaker som reglerar hjärtslagen. En stor utmaning i utvecklingen av implantat är att göra material som läks in i kroppen på bästa sätt och inte stöts bort. Samtidigt som en god inläkning vill man också undvika att bakterier börjar växa på ytan, vilket kan leda till svårbehandlade infektioner.

Nanomaterial är mycket små strukturer som är högst 100 nanometer långa i minst en riktning. En nanometer är en miljarddels meter och ett hårstrås diameter är ca 50 000 nanometer. Utvecklingen av nya nanomaterial har möjliggjort tillverkningen av implantat med mycket små strukturer på ytan. Sådana implantat har visat sig ha nya egenskaper samt påverkar inläkningen i kroppen och hur bakterier fäster och växer.

Syftet med denna avhandling var att fästa nanomaterial i form av nanopartiklar på implantat med hjälp av olika metoder. Dessa material använde jag sedan för att studera hur celler, viktiga vid läkning, samt hur bakterier påverkades. Jag undersökte också materialens påverkan på olika biomolekyler som finns i blodet och som är viktiga vid inläkningen av ett implantat och om det accepteras eller stöts bort av kroppens immunförsvar. Mina resultat visade att nanopartiklar tillverkade av hydroxylapatit, det mineralämne som benen är uppbyggda av, inte ökade mängden bakterier på ett implantat. Dessa nanopartiklar påverkade inte heller hur cellerna fäste och spred sig på ytan. Nanopartiklar av titanoxid fästa på ett implantatmaterial visade sig kunna döda bakterier då de belystes med ultra-violett ljus. Storleken på nanopartiklar av kiseloxid visade sig påverka biomolekyler som sätter igång kroppens immunförsvar och kan leda till att ett inopererat implantat stöts bort. Nanopartiklar i ungefär samma storlek som biomolekylerna satte inte igång immunförsvaret medan en yta med större nanopartiklar eller inga nanopartiklar triggade immunförsvaret. Det visade sig också att storleken på kiseloxidnanopartiklarna påverkade hur små biomolekyler i blodet, så kallade metaboliter, fäster på ytan.

Resultaten i den här avhandlingen har ökat vår förståelse för hur nanomaterial påverkar kroppen och kan vara till nytta för framtida studier och utveckling av nya implantatmaterial.

Ämneskategorier

Biomaterialvetenskap

Medicinska material och protesteknik

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7597-651-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4332

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

VASA A, Vera Sandbergs Allé 8.

Opponent: Prof. Thomas Arnebrant, Malmö Högskola, Malmö, Sverige

Mer information

Skapat

2017-10-19