TY - JOUR A1 - Liu, Yue A1 - Gould, Oliver E. C. A1 - Rudolph, Tobias A1 - Fang, Liang A1 - Kratz, Karl A1 - Lendlein, Andreas T1 - Polymeric microcuboids programmable for temperature-memory JF - Macromolecular materials and engineering N2 - Microobjects with programmable mechanical functionality are highly desirable for the creation of flexible electronics, sensors, and microfluidic systems, where fabrication/programming and quantification methods are required to fully control and implement dynamic physical behavior. Here, programmable microcuboids with defined geometries are prepared by a template-based method from crosslinked poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] elastomers. These microobjects could be programmed to exhibit a temperature-memory effect or a shape-memory polymer actuation capability. Switching temperaturesT(sw)during shape recovery of 55 +/- 2, 68 +/- 2, 80 +/- 2, and 86 +/- 2 degrees C are achieved by tuning programming temperatures to 55, 70, 85, and 100 degrees C, respectively. Actuation is achieved with a reversible strain of 2.9 +/- 0.2% to 6.7 +/- 0.1%, whereby greater compression ratios and higher separation temperatures induce a more pronounced actuation. Micro-geometry change is quantified using optical microscopy and atomic force microscopy. The realization and quantification of microparticles, capable of a tunable temperature responsive shape-change or reversible actuation, represent a key development in the creation of soft microscale devices for drug delivery or microrobotics. KW - actuation KW - atomic force microscopy KW - biomaterials KW - microparticles KW - shape-memory polymers Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1002/mame.202000333 SN - 1438-7492 SN - 1439-2054 VL - 305 IS - 10 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Sauter, Tilman A1 - Geiger, Brett A1 - Kratz, Karl A1 - Lendlein, Andreas T1 - Encasement of metallic cardiovascular stents with endothelial cell-selective copolyetheresterurethane microfibers JF - Polymers for advanced technologies N2 - Cardiovascular metallic stents established in clinical application are typically coated by a thin polymeric layer on the stent struts to improve hemocompatibility, whereby often a drug is added to the coating to inhibit neointimal hyperplasia. Besides such thin film coatings recently nano/microfiber coated stents are investigated, whereby the fibrous coating was applied circumferential on stents. Here, we explored whether a thin fibrous encasement of metallic stents with preferentially longitudinal aligned fibers and different local fiber densities can be achieved by electrospinning. An elastic degradable copolyetheresterurethane, which is reported to selectively enhance the adhesion of endothelial cells, while simultaneously rejecting smooth muscle cells, was utilized for stent coating. The fibrous stent encasements were microscopically assessed regarding their single fiber diameters, fiber covered area and fiber alignment at three characteristic stent regions before and after stent expansion. Stent coatings with thicknesses in the range from 30 to 50 mu m were achieved via electrospinning with 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (HFP)-based polymer solution, while a mixture of HFP and formic acid as solvent resulted in encasements with a thickness below 5 mu m comprising submicron sized single fibers. All polymeric encasements were mechanically stable during expansion, whereby the fibers deposited on the struts remained their position. The observed changes in fiber density and diameter indicated diverse local deformation mechanisms of the microfibers at the different regions between the struts. Based on these results it can be anticipated that the presented fibrous encasement of stents might be a promising alternative to stents with polymeric strut coatings releasing anti-proliferative drugs. Copyright (c) 2015 John Wiley & Sons, Ltd. KW - multifunctional polymers KW - stent coatings KW - electrospinning KW - biomaterials KW - degradable polymers Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1002/pat.3583 SN - 1042-7147 SN - 1099-1581 VL - 26 IS - 10 SP - 1209 EP - 1216 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Schmitt, Clemens Nikolaus Zeno T1 - The role of protein metal complexes in the mechanics of Mytilus californianus byssal threads T1 - Der Einfluss von Protein-Metall-Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften der Byssusfäden von Mytilus californianus N2 - Protein-metal coordination complexes are well known as active centers in enzymatic catalysis, and to contribute to signal transduction, gas transport, and to hormone function. Additionally, they are now known to contribute as load-bearing cross-links to the mechanical properties of several biological materials, including the jaws of Nereis worms and the byssal threads of marine mussels. The primary aim of this thesis work is to better understand the role of protein-metal cross-links in the mechanical properties of biological materials, using the mussel byssus as a model system. Specifically, the focus is on histidine-metal cross-links as sacrificial bonds in the fibrous core of the byssal thread (Chapter 4) and L-3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA)-metal bonds in the protective thread cuticle (Chapter 5). Byssal threads are protein fibers, which mussels use to attach to various substrates at the seashore. These relatively stiff fibers have the ability to extend up to about 100 % strain, dissipating large amounts of mechanical energy from crashing waves, for example. Remarkably, following damage from cyclic loading, initial mechanical properties are subsequently recovered by a material-intrinsic self-healing capability. Histidine residues coordinated to transition metal ions in the proteins comprising the fibrous thread core have been suggested as reversible sacrificial bonds that contribute to self-healing; however, this remains to be substantiated in situ. In the first part of this thesis, the role of metal coordination bonds in the thread core was investigated using several spectroscopic methods. In particular, X-ray absorption spectroscopy (XAS) was applied to probe the coordination environment of zinc in Mytilus californianus threads at various stages during stretching and subsequent healing. Analysis of the extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) suggests that tensile deformation of threads is correlated with the rupture of Zn-coordination bonds and that self-healing is connected with the reorganization of Zn-coordination bond topologies rather than the mere reformation of Zn-coordination bonds. These findings have interesting implications for the design of self-healing metallopolymers. The byssus cuticle is a protective coating surrounding the fibrous thread core that is both as hard as an epoxy and extensible up to 100 % strain before cracking. It was shown previously that cuticle stiffness and hardness largely depend on the presence of Fe-DOPA coordination bonds. However, the byssus is known to concentrate a large variety of metals from seawater, some of which are also capable of binding DOPA (e.g. V). Therefore, the question arises whether natural variation of metal composition can affect the mechanical performance of the byssal thread cuticle. To investigate this hypothesis, nanoindentation and confocal Raman spectroscopy were applied to the cuticle of native threads, threads with metals removed (EDTA treated), and threads in which the metal ions in the native tissue were replaced by either Fe or V. Interestingly, replacement of metal ions with either Fe or V leads to the full recovery of native mechanical properties with no statistical difference between each other or the native properties. This likely indicates that a fixed number of metal coordination sites are maintained within the byssal thread cuticle – possibly achieved during thread formation – which may provide an evolutionarily relevant mechanism for maintaining reliable mechanics in an unpredictable environment. While the dynamic exchange of bonds plays a vital role in the mechanical behavior and self-healing in the thread core by allowing them to act as reversible sacrificial bonds, the compatibility of DOPA with other metals allows an inherent adaptability of the thread cuticle to changing circumstances. The requirements to both of these materials can be met by the dynamic nature of the protein-metal cross-links, whereas covalent cross-linking would fail to provide the adaptability of the cuticle and the self-healing of the core. In summary, these studies of the thread core and the thread cuticle serve to underline the important and dynamic roles of protein-metal coordination in the mechanical function of load-bearing protein fibers, such as the mussel byssus. N2 - Protein-Metall Bindungen sind vor allem durch ihre Rolle in physiologischen Prozessen bekannt. Vor kurzem jedoch wurde eine völlig andere Funktion dieser chemischen Bindungen, als lasttragendes Vernetzungselement in Kieferzangen mariner Ringelwürmer der Gattung Nereis und Byssusfäden mariner Muscheln der Gattung Mytilus (Miesmuscheln) entdeckt. Ziel dieser Dissertation ist es, am Beispiel von M. californianus Byssusfäden, ein besseres Verständnis des Einflusses von Protein-Metall Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften biologischer Materialien zu erlangen. Byssusfäden sind Proteinfasern, welche Miesmuscheln zur sicheren Befestigung verwenden. Diese relativ steifen Fäden können bis zu 100 % gedehnt zu werden, ohne zu brechen. Bei sofortiger Wiederbelastung zeigt sich jedoch eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials. Erstaunlicherweise können sich die mechanischen Eigenschaften der Fäden hiervon wieder erholen. Es wird angenommen, dass im Faserkern der Byssusfäden die Aminosäure Histidin Bindungen mit Metallionen eingeht, welche als reversible Opferbindungen fungieren können und so einen Selbstheilungsprozess ermöglichen. In dieser Arbeit wurde der Beitrag von Protein-Zink Bindungen zur Mechanik der Byssusfäden mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), untersucht. Die ermittelten Daten legen nahe, dass Zn-Aminosäure Bindungen unter Dehnung der Byssusfäden brechen. Des Weiteren scheint der Selbstheilungsprozess nicht auf der bloßen Wiederherstellung dieser Bindungen zu beruhen, sondern viel mehr auf der Regenerierung der anfänglichen Bindungsstruktur und -verteilung. Diese Erkenntnisse stellen interessante Konzepte für die Entwicklung von selbstheilenden Metallopolymeren bereit. Die relativ harte Hülle der Byssusfäden schützt den Faserkern vor Abrieb. Laut Literatur basiert ihre Härte und Steifigkeit hauptsächlich auf der Quervernetzung durch Fe-DOPA (eine modifizierte Aminosäure) Bindungen. Jedoch können verschiedene Metalle aus dem Meerwasser in Byssusfäden aufgenommen werden und auch Bindungen mit DOPA bilden. Daher stellt sich die Frage, nach dem Zusammenhang zwischen mechanischen Eigenschaften und der Metallzusammensetzung der Byssushülle. Um dieser Frage nachzugehen, wurden die Metallionen aus der Hülle natürlicher Byssusfäden entfernt, und durch entweder Fe oder V ersetzt. Anschließend wurden die mechanischen Eigenschaften der Hüllen der behandelten und unbehandelten Byssusfäden mittels Nanoindentierung bestimmt. Interessanterweise besteht kein Unterschied der mechanischen Eigenschaften der natürlichen und modifizierten Hüllen der Byssusfäden, was dafür spricht, dass in der Hülle der Byssusfäden eine feste Anzahl an Protein-Metall Quervernetzungspunkten vorhanden ist, die möglicherweise durch den speziellen Produktionsprozess der Fäden festgelegt wird. Dies könnte eine evolutionäre Anpassung des Byssus darstellen, um eine verlässliche Verankerung des Organismus in verschiedenen Umgebungen zu gewährleisten. Während die Dynamik der Protein-Metall Bindungen ihnen eine Rolle als chemische Opferbindung im selbstheilenden Faserkern erlaubt, ermöglicht sie die Funktion der Hülle unter Verwendung verschiedener Metalle. Andere nicht-kovalente Wechselwirkungen haben sicherlich eine ähnliche Dynamik, und kovalente Bindungen sind stabiler, aber nur Protein-Metall Bindungen erlauben eine stabile und dynamische Quervernetzung, ohne die weder das Anpassungsvermögen der Hülle, noch das Selbstheilungsvermögen des Faserkerns möglich wären. Die Untersuchungen der Hülle und des Faserkerns der Byssusfäden verdeutlichen die Wichtigkeit der Protein-Metall Bindungen und ihrer Dynamik für die mechanische Funktion lasttragender Proteinfasern, wie dem Byssus der Miesmuscheln. KW - biomaterials KW - self-healing materials KW - protein-metal interaction KW - Biomaterialien KW - selbstheilende Materialien KW - Protein-Metall-Wechselwirkung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74216 ER - TY - THES A1 - Groth, Thomas T1 - Die Bedeutung der Volumen- und Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien für die Adsorption von Proteinen und nachfolgende zelluläre Reaktionen N2 - Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass nach Kontakt des Biomaterials mit der biologischen Umgebung bei Implantation oder extrakorporaler Wechselwirkung zunächst Proteine aus dem umgebenden Milieu adsorbiert werden, wobei die Oberflächeneigenschaften des Materials die Zusammensetzung der Proteinschicht und die Konformation der darin enthaltenden Proteine determinieren. Die nachfolgende Wechselwirkung von Zellen mit dem Material wird deshalb i.d.R. von der Adsorbatschicht vermittelt. Der Einfluss der Oberflächen auf die Zusammensetzung und Konformation der Proteine und die nachfolgende Wechselwirkung mit Zellen ist von besonderem Interesse, da einerseits eine Aussage über die Anwendbarkeit ermöglicht wird, andererseits Erkenntnisse über diese Zusammenhänge für die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Biokompatibilität genutzt werden können. In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde deshalb der Einfluss der Zusammensetzung von Polymeren bzw. von deren Oberflächeneigenschaften auf die Adsorption von Proteinen, den Aktivitätszustand der plasmatischen Gerinnung und die Adhäsion von Zellen untersucht. Dabei wurden auch Möglichkeiten zur Beeinflussung dieser Vorgänge über eine Veränderung der Volumenzusammensetzung oder durch Oberflächenmodifikationen von Biomaterialien vorgestellt. Erkenntnisse aus diesen Arbeiten konnten für die Entwicklung von Membranen für Biohybrid-Organe genutzt werden. N2 - The implantation of biomaterials or the contact of blood with extracorporal devices leads to the rapid adsorption of proteins from the surrounding biological fluids. The surface properties of materials determine the composition of the adsorption layer and the conformation of adsorbed proteins. Hence, the subsequent interaction of cells with biomaterials is dependent on the adsorption layer of proteins. The detailed knowledge on the role of surface properties in protein adsorption and cellular interactions is a useful means to learn about the biomedical applicability of materials and to develop novel materials with improved biocompatibility. The thesis describes the influence of polymer composition and surface properties on protein adsorption, the activation of blood clotting and adhesion of cells. The thesis presents options to modify the reactions of the biological system by the modification of bulk or surface composition of polymers. Results of these studies have been used to develop polymer membranes for biohybrid organs. KW - Biomaterialien KW - Polymere KW - Protein Adsorption KW - Zelladhäsion KW - Biohybride Organe KW - biomaterials KW - polymers KW - protein adsorption KW - cell adhesion KW - biohybrid organs Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001022 ER -