Controlling Surface-Induced Platelet Activation by Modulation of Contacting Interfaces

Blutplättchen, auch Thrombozyten genannt, sind ein wesentlicher Bestandteil des menschlichen Blutgerinnungssystems. Die Hauptaufgabe der Thrombozyten innerhalb des Körpers besteht in der Blutstillung. Außerhalb des Körpers neigen Thrombozyten jedoch dazu, nach kurzem Kontakt mit synthetischen, nicht physiologischen Oberflächen zu aktivieren, was für viele Anwendungen unerwünscht sein kann, einschließlich der Lagerung von Thrombozyten und der Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Thrombozyten und Arzneimitteln. Normalerweise werden Thrombozyten-Konzentrate in handelsüblichen Plastikbeuteln aufbewahrt, die eine große Menge an Weichmachern enthalten, um die Flexibilität des Beutels zu erhöhen und die Möglichkeit eines Bruchs während der Handhabung und des Transports zu vermeiden. Bei längerer Exposition können die giftigen Weichmacher in das Thrombozyten-Konzentrat entweichen. Aktivierte Thrombozyten setzen eine Vielzahl von Proteinen frei, die den Prozess der oberflächeninduzierten Thrombozytenaktivierung (SIPA) weiter unterstützen. SIPA ist eines der Hauptprobleme von Medizinprodukten mit Blutkontakt und Transfusionsgeräten, und ein entscheidender Faktor für die verkürzte Haltbarkeit gelagerter Thrombozyten. Um SIPA zu vermeiden, werden den Thrombozyten-Konzentraten Antikoagulantien zugesetzt, so dass sie bis zu 5 Tage gelagert werden können. Diese Antikoagulantien greifen in die Aktivierungswege der Thrombozyten ein und beeinträchtigen so ihre Funktionalität. Das häufigste Problem bei der Lagerung von Thrombozyten ist schließlich die Gefahr einer bakteriellen Kontamination. Um dieses Problem zu lösen, werden verschiedene UV-Behandlungen eingesetzt, um das Risiko einer Kontamination mit Krankheitserregern zu minimieren. Studien zeigen jedoch, dass diese Strahlung mit kurzer Wellenlänge die Bestandteile der Thrombozytenmembran zerstören und zu einer Aktivierung der Thrombozyten führen kann. Diese zahlreichen, oft miteinander verknüpften Probleme verdeutlichen den dringenden Bedarf an einer effizienten Lösung zur Optimierung der Lagerungsbedingungen für Thrombozyten und zur Maximierung ihrer Lagerfähigkeit. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, Oberflächen zu entwickeln, die die Adhäsion von Thrombozyten hemmen und somit ihre Aktivierung und Aggregation verhindern - ohne dass der Zusatz von Antikoagulantien erforderlich ist. Für die Veränderung der Oberflächeneigenschaften stehen drei verschiedene Ansätze zur Verfügung: Biophysikalische, physikochemische oder biochemische Strategien können Verwendet werden, um eine plättchenfreundliche Oberfläche zu gestalten. In der ersten Phase dieses Projekts wurde eine Kombination aus physikochemischen und biophysikalischen Ansätzen angewandt, um Hydrogele aus Gelatine und Agarose herzustellen, die anschließend durch Integration von Eisennanopartikeln zu Nanokompositen verarbeitet wurden. Agarose-basierte Hydrogel-Filme erwiesen sich dabei durch die Kombination von Oberflächenbenetzbarkeit und besseren mechanischen Eigenschaften als ideale Oberflächen. Mikroskopaufnahmen zeigten, dass die Anzahl der Blutplättchen, die an solchen Oberflächen adhärieren, deutlich reduziert und die Ausbreitung der Blutplättchen verhindert wurde. Hergestellte Agarose-Filme und ihre Nanokomposite konnten darüber hinaus bakterielles Wachstum erfolgreich hemmen: Von allen getesteten Proben wurde der höchste Prozentsatz an toten Bakterien auf den Nanokomposit-Filmen gemessen. Die Topographie des Substrats spielt eine entscheidende Rolle für das Verhalten der Zellen und die Kontrolle ihrer Physiologie und Morphologie. Für die Veränderung der Oberflächentopografie stehen zahlreiche komplexe Techniken zur Verfügung. In dieser Arbeit wurden zwei Techniken mit individuellen Vorteilen zur Herstellung von Nanostrukturen eingesetzt. Bei der ersten handelt es sich um ein auf der Rasterkraftmikroskopie (AFM) basierendes Fluidiksystem namens FluidFM, bei dem eine Monomere enthaltende Tinte aus der Öffnung des Cantilever Spitze auf die Oberfläche extrudiert wird. Nach dem Druckvorgang wird die Tinte polymerisiert, um 3D-Strukturen zu erhalten. Mit Hilfe von kontinuierlichen und diskontinuierlichen Topografien wurden hexagonale Bienenstock- bzw. halbkugelförmige Gitterstrukturen hergestellt. Dabei zeigte sich, dass die Thrombozyten diese Strukturierung mechanisch wahrnehmen und ihr Zytoskelett umorganisieren, was zu einer geringeren Ausbreitung der Blutplättchen führt. Darüber hinaus wurde die Technik zum Drucken einer modifizierten biofunktionalisierten Tinte verwendet, die so modifiziert wurde, dass Moleküle mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen in die Basistinte integriert wurden. Diese Modifikation führte nur zu einer geringfügigen Veränderung der mechanischen Eigenschaften der gedruckten Strukturen, während ihre Funktionalität erhalten blieb. Die Möglichkeit, Bindungsmotive für spezifische Wechselwirkungen zu integrieren, demonstriert die Vielseitigkeit der FluidFM und ebnet den Weg für die weitere Erforschung des biochemischen/topographischen Ansatzes im Bereich der Entwicklung plättchenfreundlicher Oberflächen. Das Drucken von Mikro- und Nanostrukturen stellt eine schnelle, kostengünstige und effiziente Methode zur Herstellung verschiedener geometrischer Prototypen dar und kann nicht nur zur Untersuchung verschiedener Strukturformen, sondern auch ihrer Größe und anderer topografischer Parameter eingesetzt werden. Die zweite verwendete Technik war die thermische Nanoimprint-Lithografie (T-NIL), mit der ein breiteres Spektrum an Oberflächentopologien untersucht werden konnte, einschließlich Punkt, Kette, Pille und Quadrat-förmiger. Diese Nanomuster wurden auf Siliziumscheiben geätzt und auf einen PDMS-basierten Stempel übertragen, der so zum Prägen von Hydrogelen verwendet werden konnte. Verschiedene Topologien wurden auf die Oberfläche von Agarosegelen geprägt, um ihre zuvor beobachtete, hemmende Wirkung auf die Thrombozytenadhäsion zu verbessern. Das pillenförmige Nanomuster war dabei am besten geeignet, um die Thrombozytenadhäsion zu hemmen, was auf die Höhe der Struktur zurückgeführt werden kann. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass in diesem Projekt Hydrogelfilme auf Agarosebasis, insbesondere in Form von Nanokompositen mit integrierten antibakteriellen Eisennanopartikeln, entwickelt wurden, die Lagerungsbedingungen für Thrombozyten deutlich verbessern, indem sie die SIPA und das Risiko einer bakteriellen Kontamination verringern. UV-Behandlungen von Thrombozyten-Konzentraten werden dadurch überflüssig. Durch die Einführung verschiedener Oberflächentopologien kann die Adhäsion von Thrombozyten gehemmt werden: Das FluidFM-basierte vielseitig einsetybare Nanodrucksystem wurde für die Erforschung und Entwicklung von Prototypen effektiver Geometrien eingesetzt, während T-NIL für die Prägung ausgewählter Strukturen auf die Oberfläche von Agarose-Filmen verwendet werden kann, um eine einheitliche Oberflächentopographie zu schaffen

Development of OTM Syngas Process and Testing of Syngas Derived Ultra-clean Fuels in Diesel Engines and Fuel Cells

This topical report summarizes work accomplished for the Program from November 1, 2001 to December 31, 2002 in the following task areas: Task 1: Materials Development; Task 2: Composite Development; Task 4: Reactor Design and Process Optimization; Task 8: Fuels and Engine Testing; 8.1 International Diesel Engine Program; 8.2 Nuvera Fuel Cell Program; and Task 10: Program Management. Major progress has been made towards developing high temperature, high performance, robust, oxygen transport elements. In addition, a novel reactor design has been proposed that co-produces hydrogen, lowers cost and improves system operability. Fuel and engine testing is progressing well, but was delayed somewhat due to the hiatus in program funding in 2002. The Nuvera fuel cell portion of the program was completed on schedule and delivered promising results regarding low emission fuels for transportation fuel cells. The evaluation of ultra-clean diesel fuels continues in single cylinder (SCTE) and multiple cylinder (MCTE) test rigs at International Truck and Engine. FT diesel and a BP oxygenate showed significant emissions reductions in comparison to baseline petroleum diesel fuels. Overall through the end of 2002 the program remains under budget, but behind schedule in some areas

Development of OTM Syngas Process and Testing of Syngas Derived Ulta-clean Fuels in Diesel Engines and Fuel Cells Budget Period 3

This topical report summarizes work accomplished for the Program from January 1, 2003 through December 31,2004 in the following task areas: Task 1--Materials Development; Task 2--Composite Development; Task 4--Reactor Design and Process Optimization; Task 8--Fuels and Engine Testing; 8.1 International Diesel Engine Program; and Task IO: Program Management. Most of the key technical objectives for this budget period were achieved. Only partial success was achieved relative to cycle testing under pressure Major improvements in material performance and element reliability have been achieved. A breakthrough material system has driven the development of a compact planar reactor design capable of producing either hydrogen or syngas. The planar reactor shows significant advantages in thermal efficiency and costs compared to either steam methane reforming with CO{sub 2} recovery or autothermal reforming. The fuel and engine testing program is complete The single cylinder test engine evaluation of UCTF fuels begun in Budget Period 2 was finished this budget period. In addition, a study to evaluate new fuel formulations for an HCCl engine was completed

Interleukin-10 Promotes Pathological Angiogenesis by Regulating Macrophage Response to Hypoxia during Development

Aberrant angiogenesis in the eye is the most common cause of blindness. The current study examined the role of interleukin-10 (IL-10) in ischemia-induced pathological angiogenesis called neovascularization during postnatal development. IL-10 deficiency resulted in significantly reduced pathological retinal angiogenesis. In contrast to the choroicapillaris where IL-10 interferes with macrophage influx, IL-10 did not prevent anti-angiogenic macrophages from migrating to the retina in response to hypoxia. Instead, IL-10 promoted retinal angiogenesis by altering macrophage angiogenic function, as macrophages from wild-type mice demonstrated increased vascular endothelial growth factor (VEGF) and nitric oxide (NO) compared to IL-10 deficient macrophages. IL-10 appears to directly affect macrophage responsiveness to hypoxia, as macrophages responded to hypoxia with increased levels of IL-10 and STAT3 phosphorylation as opposed to IL-10 deficient macrophages. Also, IL-10 deficient macrophages inhibited the proliferation of vascular endothelial cells in response to hypoxia while wild-type macrophages failed to do so. These findings suggest that hypoxia guides macrophage behavior to a pro-angiogenic phenotype via IL-10 activated pathways

Development of OTM Syngas Process and Testing of Syngas Derived Ultra-clean Fuels in Diesel Engines and Fuel Cells

This final report summarizes work accomplished in the Program from January 1, 2001 through December 31, 2004. Most of the key technical objectives for this program were achieved. A breakthrough material system has lead to the development of an OTM (oxygen transport membrane) compact planar reactor design capable of producing either syngas or hydrogen. The planar reactor shows significant advantages in thermal efficiency and a step change reduction in costs compared to either autothermal reforming or steam methane reforming with CO{sub 2} recovery. Syngas derived ultra-clean transportation fuels were tested in the Nuvera fuel cell modular pressurized reactor and in International Truck and Engine single cylinder test engines. The studies compared emission and engine performance of conventional base fuels to various formulations of ultra-clean gasoline or diesel fuels. A proprietary BP oxygenate showed significant advantage in both applications for reducing emissions with minimal impact on performance. In addition, a study to evaluate new fuel formulations for an HCCI engine was completed