David Šustr

• 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 interactionResearch 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.…
• 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 denDie 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.…