TY - THES A1 - Prokopović, Vladimir Z. T1 - Light-triggered release of bioactive compounds from HA/PLL multilayer films for stimulation of cells T1 - Licht-induzierte Freisetzung von Biomolekülen aus Hyaluronsäure-Poly-L-Lysin-Schichten zur Stimulierung von Zellen N2 - The concept of targeting cells and tissues by controlled delivery of molecules is essential in the field of biomedicine. The layer-by-layer (LbL) technology for the fabrication of polymer multilayer films is widely implemented as a powerful tool to assemble tailor-made materials for controlled drug delivery. The LbL films can as well be engineered to act as mimics of the natural cellular microenvironment. Thus, due to the myriad possibilities such as controlled cellular adhesion and drug delivery offered by LbL films, it becomes easily achievable to direct the fate of cells by growing them on the films. The aim of this work was to develop an approach for non-invasive and precise control of the presentation of bioactive molecules to cells. The strategy is based on employment of the LbL films, which function as support for cells and at the same time as reservoirs for bioactive molecules to be released in a controlled manner. UV light is used to trigger the release of the stored ATP with high spatio-temporal resolution. Both physico-chemical (competitive intermolecular interactions in the film) and biological aspects (cellular response and viability) are addressed in this study. Biopolymers hyaluronic acid (HA) and poly-L-lysine (PLL) were chosen as the building blocks for the LbL film assembly. Poor cellular adhesion to native HA/PLL films as well as significant degradation by cells within a few days were shown. However, coating the films with gold nanoparticles not only improved cellular adhesion and protected the films from degradation, but also formed a size-exclusion barrier with adjustable cut-off in the size range of a few tens of kDa. The films were shown to have high reservoir capacity for small charged molecules (reaching mM levels in the film). Furthermore, they were able to release the stored molecules in a sustained manner. The loading and release are explained by a mechanism based on interactions between charges of the stored molecules and uncompensated charges of the biopolymers in the film. Charge balance and polymer dynamics in the film play the pivotal role. Finally, the concept of light-triggered release from the films has been proven using caged ATP loaded into the films from which ATP was released on demand. ATP induces a fast cellular response, i.e. increase in intracellular [Ca2+], which was monitored in real-time. Limitations of the cellular stimulation by the proposed approach are highlighted by studying the stimulation as a function of irradiation parameters (time, distance, light power). Moreover, caging molecules bind to the film stronger than ATP does, which opens new perspectives for the use of the most diverse chemical compounds as caging molecules. Employment of HA/PLL films as a nouvelle support for cellular growth and hosting of bioactive molecules, along with the possibility to stimulate individual cells using focused light renders this approach highly efficient and unique in terms of precision and spatio-temporal resolution among those previously described. With its high potential, the concept presented herein provides the foundation for the design of new intelligent materials for single cell studies, with the focus on tissue engineering, diagnostics, and other cell-based applications. N2 - Das Konzept des Targetings von Zellen und Geweben mittels kontrollierter Wirkstoffverabreichung ist im Bereich der Biomedizin unerlässlich. Die layer-by-layer (LbL) Technologie ist eine etablierte Methode für die Herstellung von Polyelektrolyt-Multischichten, um intelligente, maßgeschneiderte Materialien für eine kontrollierte Wirkstoffabgabe aufzubauen. Die LbL Filme können das Verhalten einer natürlichen zellulären Mikroumgebung nachahmen. Wegen der unzähligen Möglichkeiten dieser Filme sind nicht nur das Wachstum und die Beeinflussung der Zellen, sondern auch die kontrollierte Wirkstoffabgabe leicht umzusetzen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines nicht-invasiven Systems für die präzise Verabreichung von Biomolekülen an einzelne Zellen. Die Strategie beruht auf LbL Filmen, die einerseits als geeignete Oberfläche für das Zellwachstum dienen, andererseits aber auch die kontrollierte Abgabe von Biomolekülen ermöglichen. Die zeitlich und räumlich präzise Freisetzung von ATP wurde durch UV Bestrahlung eingeleitet/ausgelöst. Sowohl die physiko-chemischen als auch die biologischen Eigenschaften des Verfahrens wurden analysiert. Die LbL Filme wurden auf Basis der biokompatiblen Polymere Hyaluronsäure (HA) und Poly-L-Lysin (PLL) assembliert. Nach der Assemblierung waren die Filme zunächst zellabweisend und wurden von den Zellen innerhalb von ein paar Tagen abgebaut. Die Beschichtigung der Filme mit Gold-Nanopartikeln verbesserte nicht nur die Adhäsion der Zellen, sondern auch den Schutz gegen Abbau. Zudem wurde gezeigt, dass die Beschichtigung eine Molekulargewichtsausschlussgrenze mit verstellbarem cut-off in einem Bereich von nur einigen 10 kDa darstellt. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Filme eine enorme Beladungskapazität aufweisen (bis hin zu einer Beladung im mM Bereich). Darüber hinaus konnten die Biomoleküle, die in diese Filme eingebettet wurden, langfristig und nachhaltig freigesetzt werden. Die Beladung und Freisetzung der Moleküle erfolgt durch die Interaktion zwischen eingebetteten Molekülen und freien Ladungen innerhalb des Polymerfilms. Das Ladungsverhältnis und die Polymerdynamik spielen dabei eine zentrale Rolle. Schließlich wurde gezeigt, dass die in Filmen eingebetteten caged-ATP Moleküle gezielt durch einen Laser freigesetzt werden können. ATP verursacht die schnelle zelluläre Antwort durch den Anstieg von intrazellulären Ca2+-Ionen, der in Echtzeit beobachtet werden kann. Um die Limitierungen dieses Ansatzes bei der zellulären Stimulation hervorzuheben, wurden verschiedene Bestrahlungsparameter (Zeit, Abstand, Laserleistung) analysiert. Außerdem binden viele caging-Moleküle stärker an die Polymerfilme als ATP, wodurch eine Vielzahl von chemischen Verbindungen als geeignete Moleküle für die Caging zur Verfügung stehen. Der Einsatz von HA/PLL Filmen als neue Oberfläche für Zellwachstum und als Reservoire für die Einbettung bioaktiver Moleküle samt der Möglichkeit einzelne Zellen mittels fokussierter Laserbestrahlung anzuregen, machen die Methode hoch effizient und einzigartig. Die Vorteile dieser Methode kommen durch die zeitliche und räumliche Präzision zustande. In Zukunft kann das in dieser Arbeit beschriebene Konzept für den Entwurf neuer Materialien für Untersuchungen mit einzelnen Zellen eingesetzt werden; mit dem Fokus auf Tissue Engineering, Diagnostik und anderen Zell- und biomedizinisch-basierten Applikationen. KW - multilayer films KW - light-triggered KW - stimulation of cells KW - drug release KW - Polyelektrolyt-Multischichten KW - Licht-induzierte KW - kontrollierte Freisetzung von Biomolekülen KW - Stimulierung von Zellen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97927 ER - TY - THES A1 - Šustr, David T1 - Molecular diffusion in polyelectrolyte multilayers N2 - Research on novel and advanced biomaterials is an indispensable step towards their applications in desirable fields such as tissue engineering, regenerative medicine, cell culture, or biotechnology. The work presented here focuses on such a promising material: polyelectrolyte multilayer (PEM) composed of hyaluronic acid (HA) and poly(L-lysine) (PLL). This gel-like polymer surface coating is able to accumulate (bio-)molecules such as proteins or drugs and release them in a controlled manner. It serves as a mimic of the extracellular matrix (ECM) in composition and intrinsic properties. These qualities make the HA/PLL multilayers a promising candidate for multiple bio-applications such as those mentioned above. The work presented aims at the development of a straightforward approach for assessment of multi-fractional diffusion in multilayers (first part) and at control of local molecular transport into or from the multilayers by laser light trigger (second part). The mechanism of the loading and release is governed by the interaction of bioactives with the multilayer constituents and by the diffusion phenomenon overall. The diffusion of a molecule in HA/PLL multilayers shows multiple fractions of different diffusion rate. Approaches, that are able to assess the mobility of molecules in such a complex system, are limited. This shortcoming motivated the design of a novel evaluation tool presented here. The tool employs a simulation-based approach for evaluation of the data acquired by fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) method. In this approach, possible fluorescence recovery scenarios are primarily simulated and afterwards compared with the data acquired while optimizing parameters of a model until a sufficient match is achieved. Fluorescent latex particles of different sizes and fluorescein in an aqueous medium are utilized as test samples validating the analysis results. The diffusion of protein cytochrome c in HA/PLL multilayers is evaluated as well. This tool significantly broadens the possibilities of analysis of spatiotemporal FRAP data, which originate from multi-fractional diffusion, while striving to be widely applicable. This tool has the potential to elucidate the mechanisms of molecular transport and empower rational engineering of the drug release systems. The second part of the work focuses on the fabrication of such a spatiotemporarily-controlled drug release system employing the HA/PLL multilayer. This release system comprises different layers of various functionalities that together form a sandwich structure. The bottom layer, which serves as a reservoir, is formed by HA/PLL PEM deposited on a planar glass substrate. On top of the PEM, a layer of so-called hybrids is deposited. The hybrids consist of thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) -based hydrogel microparticles with surface-attached gold nanorods. The layer of hybrids is intended to serve as a gate that controls the local molecular transport through the PEM–solution-interface. The possibility of stimulating the molecular transport by near-infrared (NIR) laser irradiation is being explored. From several tested approaches for the deposition of hybrids onto the PEM surface, the drying-based approach was identified as optimal. Experiments, that examine the functionality of the fabricated sandwich at elevated temperature, document the reversible volume phase transition of the PEM-attached hybrids while sustaining the sandwich stability. Further, the gold nanorods were shown to effectively absorb light radiation in the tissue- and cell-friendly NIR spectral region while transducing the energy of light into heat. The rapid and reversible shrinkage of the PEM-attached hybrids was thereby achieved. Finally, dextran was employed as a model transport molecule. It loads into the PEM reservoir in a few seconds with the partition constant of 2.4, while it spontaneously releases in a slower, sustained manner. The local laser irradiation of the sandwich, which contains the fluorescein isothiocyanate tagged dextran, leads to a gradual reduction of fluorescence intensity in the irradiated region. The release system fabricated employs renowned photoresponsivity of the hybrids in an innovative setting. The results of the research are a step towards a spatially-controlled on-demand drug release system that paves the way to spatiotemporally controlled drug release. The approaches developed in this work have the potential to elucidate the molecular dynamics in ECM and to foster engineering of multilayers with properties tuned to mimic the ECM. The work aims at spatiotemporal control over the diffusion of bioactives and their presentation to the cells. N2 - Die Forschung an neuartigen und komplexen Biomaterialien ist unabdingbar für deren Einsatz in begehrten Bereichen wie der Gewebezüchtung, regenerativen Medizin, Zellkultivierung und Biotechnologie. Die hier vorgelegte Arbeit beschäftigt sich eingehend mit einem dieser vielversprechenden Materialien: Polyelektrolytische Multilayers (PEM), die aus Hyaluronsäure (Hyaluronic Acid, HA) und Poly-L-Lysin (PLL) zusammengesetzt sind. Diese gelartige Polymerbeschichtung ermöglicht es, (Bio-) Moleküle wie z.B. Proteine oder Medikamente zu akkumulieren und diese kontrolliert wieder abzugeben. Durch ihre Zusammensetzung und intrinsischen Merkmale können die PEM der Imitation einer Extrazellulären Matrix (ECM) dienen. Diese Eigenschaften machen die HA/PLL-PEM zu einem Anwärter auf verschiedene Bio-Anwendungen, wie den oben genannten. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Entwicklung eines Ansatzes zur Einschätzung der multi-fraktionellen Diffusion in Multilayers (1. Teil), und auf die Kontrolle des lokalen molekularen Transports in und aus den Multilayers durch Laser-Stimulation (2. Teil). Der Aufnahme- und Freisetzungsmechanismus wird bestimmt von der Wechselwirkung zwischen Bioaktiva und den Bestandteilen der Multilayers, sowie allgemein vom Diffusionsprozess. Der Diffusion eines Molekül in HA/PLL-PEM weist unterschiedliche Diffusionsraten einzelner Molekülbestandteile auf. Derzeit existieren nur wenige Ansätze zur Einschätzung der Mobilität von Molekülen in derart komplexen Systemen. Diesem Mangel will die vorliegende Arbeit durch das Design eines neuartigen Evaluations-Instruments abhelfen. Dieses Instrument bedient sich eines simulationsbasierten Ansatzes zur Evaluation von Daten, die durch die fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) -Methode erfasst wurden. Der Ansatz simuliert zunächst mögliche Szenarien der Fluoreszenz-Rückbildung, um diese anschließend mit Messdaten zu vergleichen; dazu werden Modell-Parameter angepasst, um suffiziente Vergleichswerte zu erzielen. Fluoreszierende Latex-Partikel verschiedener Größe und eine Fluoresceinlösung wurden als Kontroll- und Vergleichs-Proben verwendet, um die Ergebnisse zu überprüfen. Zusätzlich wurde die Diffusion des Proteins Cytochrom C in eine HA/PLL-PEM ausgewertet. Dieses Instrument weitet die Möglichkeiten der Analyse von spatiotemporären FRAP-Daten, die aus der multi-fraktionellen Diffusion stammen, erheblich und gleichzeitig ist es vielseitig einsetzbar. Das Instrument hat das Potential, die Mechanismen des Molekültransports weiter zu erhellen, und eine gezielte Steuerung der Freisetzung medikamentöser Wirkstoffe zu ermöglichen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Erstellung eines Systems zur spatiotemporären Wirkstofffreisetzung, das sich die HA/PLL-PEM zunutze macht. Dieses Freisetzungssystem umfasst verschiedene Lagen mit jeweils unterschiedlichen Funktionsweisen, die zusammen ein „Sandwich“ bilden. Die zugrundeliegende Schicht aus HA/PLL-PEM auf einem planaren Glassubstrat dient als Reservoir. Auf diese PEM ist eine Schicht sogenannter Hybride aufgebracht. Die Hybride bestehen aus thermoresponsiven Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) -basierten Hydrogel-Mikropartikeln auf deren Gold-Nanostäbchen gebunden sind. Die Hybridschicht dient in der räumlichen Kontrolle des lokalen Molekültransports als „Schlupfloch“ an der Schnittstelle von PEM und Lösung. Die Möglichkeit der Stimulation des molekülaren Transports durch Bestrahlung mit einem Nah-Infrarot-Laser (NIR) wird hier untersucht. Von den mehreren getesteten Ansätzen zur Aufbringung von Hybriden auf die PEM-Oberfläche stellte sich die Trocknung als beste Möglichkeit heraus. Funktionalitätskontrollen des hergestellten Sandwiches bei erhöhter Temperatur ergaben eine reversible Volumenphasenübergang der PEM-gebundenen Hybride, wobei die Sandwich-Struktur erhalten blieb. Weiterhin wurde eine effektive Lichtabsorption durch die Gold-Nanostäbchen in den gewebe- und zellschonenden NIR-Spektrumsbereich gezeigt, wobei die aufgenommene Lichtenergie in Wärme umgewandelt wurde. Dadurch wurde eine schnelle und reversible Schrumpfung der PEM-gebundenen Hybride erreicht. Zuguterletzt wird Dextran als Modellmolekül für den Transport eingesetzt. Dieses wird in wenigen Sekunden – mit einem Verteilungskoeffizient von 2,4 – in das PEM-Reservoir aufgenommen, während es auf langsamere, anhaltende Weise freigesetzt wird. Die lokale Laser-Bestrahlung des Dextran-FITC-haltigen Sandwiches bewirkte eine schrittweise Reduktion der Fluoreszenz-Intensität in der bestrahlten Region. Das hier vorgestellte Molekül-Freisetzungssystem verwendet die vielzitierte Photoresponsivität von Hybriden auf neuartige Weise. Die Ergebnisse der Untersuchung bedeuten einen Fortschritt in Richtung eines räumlich kontrollierten, nach Bedarf steuerbaren Freisetzungs-Systems, das wiederum den Weg zu einer spatiotemporären Kontrollierbarkeit der Wirkstoff-Freisetzung bereiten könnte. Die in dieser Arbeit entwickelten Ansätze ermöglichen ein besseres Verständnis der Dynamik in der ECM, sowie die Entwicklung ECM-ähnlicher Multilayers. Die Arbeit hat die spatiotemporäre Kontrolle der Diffusion von bioaktiven Stoffen und deren Präsentation gegenüber Zellen zum Ziel. T2 - Molekulare Diffusion in Polyelektrolyt-Multischichten KW - polyelectrolyte multilayers KW - diffusion KW - simulation KW - FRAP KW - microgel KW - drug release KW - PNIPAM KW - IR laser KW - assessment of the diffusion KW - mulifractional diffusion KW - spatially and temporally controlled drug release KW - ordering of particles on the surface KW - close packing KW - dichteste Packung KW - Diffusion KW - Einschätzung der Diffusion KW - Wirkstoff-Freisetzun KW - Mikrogel KW - multi-fraktionelle Diffusion KW - Ordnung der Partikel auf der Oberfläche KW - Polyelektrolyt-Multischichten KW - Simulation KW - räumlich und zeitlich kontrollierte Wirkstoff-Freisetzung KW - FRAP KW - IR laser KW - PNIPAM Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489038 ER -