TY  - THES
A1  - Latza, Victoria Maria
T1  - Interactions involving lipid-based surfaces
T1  - Wechselwirkungen lipid-basierter Oberflächen
BT  - from protein adsorption to membrane adhesion
BT  - Protein-Adsorption und Membran-Adhäsion
N2  - Interactions involving biological interfaces such as lipid-based membranes are of paramount importance for all life processes. The same also applies to artificial interfaces to which biological matter is exposed, for example the surfaces of drug delivery systems or implants. This thesis deals with the two main types of interface interactions, namely (i) interactions between a single interface and the molecular components of the surrounding aqueous medium and (ii) interactions between two interfaces. Each type is investigated with regard to an important scientific problem in the fields of biotechnology and biology:
1.) The adsorption of proteins to surfaces functionalized with hydrophilic polymer brushes; a process of great biomedical relevance in context with harmful foreign-body-response to implants and drug delivery systems.
2.) The influence of glycolipids on the interaction between lipid membranes; a hitherto largely unexplored phenomenon with potentially great biological relevance.
Both problems are addressed with the help of (quasi-)planar, lipid-based model surfaces in combination with x-ray and neutron scattering techniques which yield detailed structural insights into the interaction processes. Regarding the adsorption of proteins to brush-functionalized surfaces, the first scenario considered is the exposure of the surfaces to human blood serum containing a multitude of protein species. Significant blood protein adsorption was observed despite the functionalization, which is commonly believed to act as a protein repellent. The adsorption consists of two distinct modes, namely strong adsorption to the brush grafting surface and weak adsorption to the brush itself. The second aspect investigated was the fate of the brush-functionalized surfaces when exposed to aqueous media containing immune proteins (antibodies) against the brush polymer, an emerging problem in current biomedical applications. To this end, it was found that antibody binding cannot be prevented by variation of the brush grafting density or the polymer length. This result motivates the search for alternative, strictly non-antigenic brush chemistries. With respect to the influence of glycolipids on the interaction between lipid membranes, this thesis focused on the glycolipids’ ability to crosslink and thereby to tightly attract adjacent membranes. This adherence is due to preferential saccharide-saccharide interactions occurring among the glycolipid headgroups. This phenomenon had previously been described for lipids with special oligo-saccharide motifs. Here, it was investigated how common this phenomenon is among glycolipids with a variety of more abundant saccharide-headgroups. It was found that glycolipid-induced membrane crosslinking is equally observed for some of these abundant glycolipid types, strongly suggesting that this under-explored phenomenon is potentially of great biological relevance.
N2  - Wechselwirkungen, die von biologischen Grenzflächen wie Lipidmembranen eingegangen werden, haben tiefgreifende Auswirkungen auf alle Lebensprozesse. Dasselbe trifft auf alle künstlichen Grenzflächen zu, die in Kontakt mit biologischer Materie treten. Die Oberflächen von Wirkstoffverabreichungssystemen oder Implantaten sind hierfür prominente Beispiele. Diese Dissertationsschrift behandelt zwei Hauptkategorien von Grenzflächen-Wechselwirkungen: Zum einen die Wechselwirkung zwischen einzelnen Grenzflächen und den molekularen Komponenten des wässrigen Umfelds; zum anderen die Wechselwirkung zwischen zwei Grenzflächen. Jede dieser beiden Wechselwirkungskategorien wurde unter Bezugnahme auf eine wichtige wissenschaftliche Fragestellung aus den Bereichen der Biologie und Biotechnologie untersucht:
1.)	Die Adsorption von Proteinen an Oberflächen die mit hydrophilen Polymerbürsten funktionalisiert sind; diese Anlagerung von biologischem Material stellt einen Prozess von äußerster biomedizinischer Relevanz dar, der beispielsweise beim Auftreten der schädlichen Fremdkörperabstoßung von Implantaten oder Wirkstoffverabreichungssystemen eine entscheidende Rolle spielt.
2.)	 Der Einfluss von Glykolipiden auf Wechselwirkungen zwischen Lipidmembranen, einem bislang größtenteils unerforschten Phänomen von potentiell herausragender biologischer Bedeutung.
Die Bearbeitung beider Fragestellungen erfolgte unter Verwendung (quasi-)planarer, lipid-basierter Modellsysteme in Kombination mit Röntgen- oder Neutronenstreuung, welche detaillierte strukturelle Einblicke von Wechselwirkungsprozessen liefern. In Bezug auf die Adsorption von Proteinen an polymer-funktionalisierte Oberflächen wurde zunächst ein Szenario behandelt, bei dem die Oberflächen menschlichem Blutserum ausgesetzt sind, welches eine Vielzahl verschiedener Proteinspezies enthält. Die verwendete Funktionalisierung gilt gemeinhin als proteinabstoßend. Anders als erwartet zeigte sich dennoch signifikante Adsorption von Blutproteinen auf der Oberfläche. Die gemessene Adsorption weist zwei unterschiedliche Arten auf: Starke Adsorption an die Oberfläche, an die die Polymere kovalent gebunden sind, und schwache Adsorption an die Polymerbürste selbst. Der zweite Aspekt, der beleuchtet wurde, sind die Folgen von Antikörpern gegen die Bürstenpolymere. Deren zunehmendes Vorkommen stellt ein Problem für biomedizinische Anwendungen dar. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die starke Adsorption von Antikörpern nicht durch die Veränderung von Bürstenparametern, wie Anbindungsdichte oder Polymerisationsgrad, aufgehalten werden kann. Diese Erkenntnis motiviert die Suche nach alternativen, nicht-antigenen Bürstenmaterialien. In der zweiten Wechselwirkungskategorie, dem Einfluss von Glykolipiden auf Wechselwirkungen zwischen Lipidmembranen, wurde die Fähigkeit der Glykolipide zur Membran-Adhäsion und der damit einhergehenden starken Anziehung von aneinander liegenden Membranen beleuchtet. Die Kohäsion erfolgt dabei über anziehende Saccharid-Saccharid-Wechselwirkungen der Kopfgruppen. Dieses Verhalten wurde schon für Lipide mit speziellen Oligosaccharid-Motiven beschrieben. Daher wurde bei der Untersuchung der Adhäsionsfähigkeit besonders die Verbreitung des Phänomens unter Glykolipiden mit häufig vorkommenden Saccharid-Kopfgruppen fokussiert. Es zeigte sich, dass die von Glykolipiden hervorgerufene Adhäsion auch für einige dieser häufig vorkommenden Glykolipidtypen beobachtet werden kann. Dies deutet darauf hin, dass dieses Phänomen von weitreichender Bedeutung für die Biologie ist und daher weiterhin intensiv erforscht werden sollte.
KW  - surfaces and interfaces
KW  - biocompatibility
KW  - PEG brushes
KW  - lipids
KW  - neutron reflectometry
KW  - biological membranes
KW  - glycolipids
KW  - SAXS
KW  - WAXS
KW  - neutron diffraction
KW  - off-specular scattering
KW  - Oberfächen
KW  - Grenzflächen
KW  - Biokompatibilität
KW  - PEG-Funktionalisierung
KW  - Lipide
KW  - Neutronen Reflektometrie
KW  - biologische Membranen
KW  - Glykolipide
KW  - SAXS
KW  - WAXS
KW  - Neutronen Diffraktion
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445593
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Wang, Weiwei
A1  - Kratz, Karl
A1  - Behl, Marc
A1  - Yan, Wan
A1  - Liu, Yue
A1  - Xu, Xun
A1  - Baudis, Stefan
A1  - Li, Zhengdong
A1  - Kurtz, Andreas
A1  - Lendlein, Andreas
A1  - Ma, Nan
T1  - The interaction of adipose-derived human mesenchymal stem cells and polyether ether ketone
JF  - Clinical hemorheology and microcirculation : blood flow and vessels
N2  - Polyether ether ketone (PEEK) as a high-performance, thermoplastic implant material entered the field of medical applications due to its structural function and commercial availability. In bone tissue engineering, the combination of mesenchymal stem cells (MSCs) with PEEK implants may accelerate the bone formation and promote the osseointegration between the implant and the adjacent bone tissue. In this concept the question how PEEK influences the behaviour and functions of MSCs is of great interest. Here the cellular response of human adipose-derived MSCs to PEEK was evaluated and compared to tissue culture plate (TCP) as the reference material. Viability and morphology of cells were not altered when cultured on the PEEK film. The cells on PEEK presented a high proliferation activity in spite of a relatively lower initial cell adhesion rate. There was no significant difference on cell apoptosis and senescence between the cells on PEEK and TCP. The inflammatory cytokines and VEGF secreted by the cells on these two surfaces were at similar levels. The cells on PEEK showed up-regulated BMP2 and down-regulated BMP4 and BMP6 gene expression, whereas no conspicuous differences were observed in the committed osteoblast markers (BGLAP, COL1A1 and Runx2). With osteoinduction the cells on PEEK and TCP exhibited a similar osteogenic differentiation potential. Our results demonstrate the biofunctionality of PEEK for human MSC cultivation and differentiation. Its clinical benefits in bone tissue engineering may be achieved by combining MSCs with PEEK implants. These data may also provide useful information for further modification of PEEK with chemical or physical methods to regulate the cellular processes of MSCs and to consequently improve the efficacy of MSC-PEEK based therapies.
KW  - Polyether ether ketone
KW  - mesenchymal stem cells
KW  - biocompatibility
KW  - cell-material interaction
KW  - osteogenic differentiation
Y1  - 2015
U6  - https://doi.org/10.3233/CH-152001
SN  - 1386-0291
SN  - 1875-8622
VL  - 61
IS  - 2
SP  - 301
EP  - 321
PB  - IOS Press
CY  - Amsterdam
ER  -