Analysis of cell specific responses to polymers, hydrogels, metals, adhesion ligands, laser-fabricated three-dimensional scaffolds, and topographically-functionalized materials for biomedical applications

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Selektive Zellkontrolle und dreidimensionale Zellmodelle für biomedizinische Anwendungen

Ausgehend von zellbiologischen Kenntnissen über Biomaterial-Zell-Wechselwirkungen und Gewebeformationen ist das Ziel der Regenerativen Medizin, Implantate zu optimieren und Alternativen zu Transplantaten zu finden, wobei gleichzeitig die natürlichen Regenerationsmechanismen im Körper aktiviert werden sollen. Implantatrevisionen durch verminderte Funktionalität und Lebensdauer sowie die begrenzte Verfügbarkeit von geeigneten Spenderorganen sind die limitierenden Faktoren für den Erfolg der klassischen Behandlungen. Um die Implantatintegration in das Gewebe zu verbessern, ist die selektive Kontrolle des Zellverhaltens erforderlich. Die Ausbildung von Fibrose bestehend aus Fibroblasten als Folge der Implantat-assoziierten Abstoßungsreaktion muss verhindert werden; gleichzeitig soll die Regeneration des zu ersetzenden Gewebes stimuliert werden. Funktionalisierungen der Implantatoberfläche, die die natürliche Umgebung der Zellen nachahmen, gelten als vielversprechende Strategie zur Optimierung der Implantatfunktionalität. Im Rahmen der Habilitation wurde demonstriert, dass Laser-generierte Oberflächentopographien eine selektive Zellkontrolle im Bereich Neuroprothetik und für orthopädische Anwendungen zulassen, somit bioaktiv sind. Dies wurde über die Hemmung von Fibroblasten bei gleichzeitiger Stimulation der neuronalen und osteogenen Differenzierung belegt. Um die selektive Zellkontrolle erklären zu können und die Materialsuche für andere biomedizinische Anwendungen zu erleichtern, lag die Vermutung nahe, dass es in zellspezifischen Adhäsionsmechanismen begründet ist. Die beobachtete selektive Stimulation von osteogenen Markern durch die Topographie muss wiederum mit einer spezifischen Rolle und Beeinflussung der molekularen Signalwege korrelieren. Es zeigte sich, dass die neu etablierten Parameter Adhäsionszeit und Adhäsionskraft zellspezifisch sind und insbesondere die Adhäsionsliganden der Extrazellulären Matrix eine bedeutende Rolle spielen: (a) sie steuern das gesamte Zellverhalten; (b) ihre Wirkung und damit die Adhäsionsmechanismen sind zellspezifisch; (c) Biomaterialien beeinflussen spezifisch ihre Adsorption und kontrollieren so indirekt und selektiv das Zellverhalten. Für die osteogene Differenzierung war die Zellbindung an die Matrix essentiell, wobei die Adhäsionsliganden selektiv die Zellmorphologie bestimmen und darüber die Differenzierung begünstigen. Darüber hinaus wurden verschiedene molekulare Signalwege und Wechselwirkungen der osteogenen Differenzierung untersucht. Ein Faktor konnte ermittelt werden, der eine regulatorische Funktion in den Signalkaskaden übernimmt und sensitiv auf externe Einflüsse reagiert, was in Bezug zur Topographie-gesteuerten selektiven Kontrolle der osteogenen Marker gesetzt werden konnte. Die verwendeten humanen Mesenchymalen Stammzellen aus dem Fettgewebe haben sich als ein neues und geeignetes Zellmodell für orthopädische Anwendungen erwiesen. Als Alternative zu Transplantaten sollen im Bereich Tissue Engineering dreidimensionale (3D) Zellkonstrukte generiert werden, die das zu ersetzende Gewebe in ihrem multizellulären Aufbau und ihrer Funktionalität nachahmen. Derartige 3D Zellmodelle können auch in der zellbiologischen Grundlagenforschung, in der Tumorbiologie und bei der Entwicklung neuer Medikamente als Alternative zu Tierversuchen Anwendung finden. Im Rahmen der Habilitation wurden Scaffoldbasierte und Scaffold-freie 3D Zellmodelle hergestellt und untersucht. Bei der ersten Variante lag der Fokus auf der Etablierung von natürlichen ScaffoldMaterialien, die sowohl biokompatibel und bioaktiv als auch für die definierte und reproduzierbare Scaffold-Herstellung mittels 2-Photonenpolymerisationstechnik geeignet sind. Darüber hinaus wurde die Mikroreplikationstechnik zur ScaffoldProduktion etabliert. Verschiedene Materialien wurden verglichen und die Besiedelung der Scaffolds überprüft. Der Parameter Scaffold-Porösität verbesserte selektiv die osteogene Differenzierung. Bei der zweiten Variante wurde die Anwendbarkeit des Laser-basierten BioPrintings getestet und erweitert. Mit diesem Verfahren konnten Zellen schädigungsfrei gedruckt und beliebig in 3D-Mustern positioniert werden. Das Differenzierungspotential von Stammzellen wurde nicht verändert. In Hinblick auf das Vascular Tissue Engineering waren auch kontrollierte Zell-Zell- und Zell-Umgebungsstudien möglich. Es konnte ein funktionales 3D in vitro Hautmodell gedruckt werden

Cell type-specific adhesion and migration on laser-structured opaque surfaces

Cytocompatibility is essential for implant approval. However, initial in vitro screenings mainly include the quantity of adherent immortalized cells and cytotoxicity. Other vital parameters, such as cell migration and an in-depth understanding of the interaction between native tissue cells and implant surfaces, are rarely considered. We investigated different laser-fabricated spike structures using primary and immortalized cell lines of fibroblasts and osteoblasts and included quantification of the cell area, aspect ratio, and focal adhesions. Furthermore, we examined the three-dimensional cell interactions with spike topographies and developed a tailored migration assay for long-term monitoring on opaque materials. While fibroblasts and osteoblasts on small spikes retained their normal morphology, cells on medium and large spikes sank into the structures, affecting the composition of the cytoskeleton and thereby changing cell shape. Up to 14 days, migration appeared stronger on small spikes, probably as a consequence of adequate focal adhesion formation and an intact cytoskeleton, whereas human primary cells revealed differences in comparison to immortalized cell lines. The use of primary cells, analysis of the cell–implant structure interaction as well as cell migration might strengthen the evaluation of cytocompatibility and thereby improve the validity regarding the putative in vivo performance of implant material. © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland

Femtosecond laser fabricated spike structures for selective control of cellular behavior

In this study we investigate the potential of femtosecond laser generated micrometer sized spike structures as functional surfaces for selective cell controlling. The spike dimensions as well as the average spike to spike distance can be easily tuned by varying the process parameters. Moreover, negative replications in soft materials such as silicone elastomer can be produced. This allows tailoring of wetting properties of the spike structures and their negative replicas representing a reduced surface contact area. Furthermore, we investigated material effects on cellular behavior. By comparing human fibroblasts and SH-SY5Y neuroblastoma cells we found that the influence of the material was cell specific. The cells not only changed their morphology, but also the cell growth was affected. Whereas, neuroblastoma cells proliferated at the same rate on the spike structures as on the control surfaces, the proliferation of fibroblasts was reduced by the spike structures. These effects can result from the cell specific adhesion patterns as shown in this work. These findings show a possibility to design defined surface microstructures, which could control cellular behavior in a cell specific manner

Капитальный ремонт подводного перехода магистрального газопровода "Парабель–Кузбасс " через реку Обь методом санации

Наша страна покрыта обширной сетью рек, по дну которых проложены тысячи километров дюкерных переходов трубопроводов различного назначения (газовые, нефтяные и др.). Однако их объединяет то, что изготовлены они в основном из стали и срок их эксплуатации превысил все возможные пределы. Некоторые дюкеры построены еще в 70–80-х годах прошлого века и нуждаются в срочном ремонте или замене.Our country is covered with a wide water network, including thousand kilometers of underwater pipelines of different purposes (sewerage system, water-pipe, gas-pipeline etc). However they have one thing in common, they are made from steel and their operation life exceeds all possible limits. Some underwater pipelines were built as early as the 40’s – 60’s of the last century and it is necessary to reconstruct them or substitute them

Three-dimensional cell growth on structures fabricated from ORMOCER® by two-photon polymerization technique

Two-photon polymerization technique was applied to generate three-dimensional (3D) scaffold-like structures using the photosensitive organic-inorganic hybrid polymer ORMOCER®. The structures were studied with respect to potential applications as scaffold for tissue engineering. Cell counting and comet assay, respectively, demonstrated that doubling time and DNA strand breaks of CHO cells, GFSHR-17 granulosa cells, GM-7373 endothelial cells, and SH-SY5Y neuroblastoma cells were not affected by ORMOCER®. ORMOCER® related alteration of formation of tissue specific cell-to-cell adhesions like gap junctions was ruled out by double whole-cell patch-clamp technique. Additionally, growth of cells on the vertical surfaces of 3D structures composed of ORMOCER® is shown. © 2007 Sage Publications

Osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells in 3-D Zr-Si organic-inorganic scaffolds produced by two-photon polymerization technique

Two-photon polymerization (2PP) is applied for the fabrication of 3-D Zr-Si scaffolds for bone tissue engineering. Zr-Si scaffolds with 150, 200, and 250 μm pore sizes are seeded with human bone marrow stem cells (hBMSCs) and human adipose tissue derived stem cells (hASCs) and cultured in osteoinductive and control media for three weeks. Osteogenic differentiation of hASCs and hBMSCs and formation of bone matrix is comparatively analyzed via alkaline phosphatase activity (ALP), calcium quantification, osteocalcin staining and scanning electron microscopy (SEM). It is observed that the 150 μm pore size Zr-Si scaffolds support the strongest matrix mineralization, as confirmed by calcium deposition. Analysis of ALP activity, osteocalcin staining and SEM observations of matrix mineralization reveal that mesenchymal stem cells cultured on 3-D scaffolds without osteogenic stimulation spontaneously differentiate towards osteogenic lineage. Nanoindentation measurements show that aging of the 2PP-produced Zr-Si scaffolds in aqueous or alcohol media results in an increase in the scaffold Young's modulus and hardness. Moreover, accelerated formation of bone matrix by hASCs is noted, when cultured on the scaffolds with lower Young's moduli and hardness values (non aged scaffolds) compared to the cells cultured on scaffolds with higher Young's modulus and hardness values (aged scaffolds). Presented results support the potential application of Zr-Si scaffolds for autologous bone tissue engineering