It is becoming clearer from cell biology that (nano)topographic features play an important role in cell-material interactions. Although much work has been done on the interaction between cells and idealized substrates containing nano-scaled features, it is difficult to implement such features into implant materials typically used in the clinic. For example, in the case of titanium (Ti), which is the gold standard material for load-bearing implants, a variety of surface nanostructuring techniques have been developed to improve the bioactive properties of Ti and to enhance tissue regeneration. However, most of these techniques can effectively modify only planar substrates, which limits their application for complex three-dimensional (3D) geometries of clinical implants. In this context, this thesis focuses on the application of a new surface modification strategy, which potentially allows for nanostructuring of 3D Ti scaffolds allowing the exploration of the role of nanostructures on both single cell and 3D tissue growth. In this thesis, we investigate high intensity ultrasound (HIUS) for surface nanostructuring of titanium. This technique allows for effective modification of planar and 3D Ti surfaces through the formation of mesoporous titania (TMS) coatings on Ti suitable for biological applications. Precise control over the topographic features was achieved through the parameters of HIUS treatment such as solvent and additives, intensity, and duration of treatment. Due to its biocompatibility, physicochemical, and structural properties, TMS coating is an interesting candidate for in vitro and eventually in vivo studies. We tested the potential of TMS surfaces in two studies, with the aim of investigating the effect of surface nanotopography on single cell behaviour and 3D tissue formation. For this purpose, we compared the cell response of the model MC3T3-E1 preosteoblast cell line on Ti surfaces with different levels of (dis)order: unmodified surface, mesoporous (TMS) and nanotubular titania (TNT) produced using anodic oxidation. The results revealed a surface- dependent shape, thickness, and spreading of cells owing to different adherence behavior. Cells were polygonal-shaped and well-spread on TMS, but elongated, fibroblast-like on TNT. Although both nanostructured surfaces impaired cell adhesion, TMS better supported cell attachment and spreading than TNT. Cell migration on TMS had a more collective character than on TNT, probably due to a closer proximity between neighboring cells. We further explored the role of nanotopography on 3D tissue growth within the microchannels of Ti scaffolds. Both external and internal surfaces of the scaffold possessed similar nanostructural features, confirming the potential of these surface treatments for modification of complex implant geometries. Although no significant differences in mean tissue layer thickness were observed on scaffolds with different nanotopography, the structure and adhesion of the tissue were affected. In contrast to unmodified scaffolds, tissue detachment was observed on nanostructured scaffolds, indicating impaired cell adhesion. Collectively, the studies presented in this thesis could have important implications for the design of titanium-based tissue engineering strategies and an interesting platform for lab-on-a-chip cell culturing.
Aus der Zellbiologie wird klar, dass nanotopographische Merkmale eine wichtige Rolle bei Zell-Material-Wechselwirkungen spielen. Trotz intensiver Forschungsarbeit an der Wechselwirkung zwischen Zellen und idealisierten Substraten mit nanoskaligen Eigenschaften, ist es immer noch schwierig diese Eigenschaften auf gängige Implantatmaterialen zu übertragen. Beispielsweise wurde für Titan, dem Goldstandard für lasttragende Implantate, eine Vielzahl von Oberflächen-Nanostrukturierungsverfahren entwickelt. Die durch diese Verfahren hergestellten Oberflächen verbessern nachweislich die bioaktiven Eigenschaften von Titan und beschleunigen die Heilung und Geweberegeneration. Allerdings können durch die meisten dieser Techniken nur planare Oberflächen effektiv modifiziert werden, was ihre Anwendung für komplexe dreidimensionale (3D) Geometrien von klinischen Implantaten limitiert. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Dissertation auf die Anwendung einer neuen Oberflächenmodifikationsstrategie, die potenziell auch die Nanostrukturierung von 3D-Titangerüsten ermöglicht, und damit die Erforschung der Rolle von Nanostrukturen sowohl im Einzelzell- als auch im 3D-Gewebewachstum ermöglicht. In dieser Dissertation untersuchen wir eine neue Methode zur Titan- Oberflächen-Nanostrukturierung mit hochintensivem Ultraschall (HIUS). Diese Technik ermöglicht eine effektive Modifizierung von planaren und dreidimensionalen Titanoberflächen. Die erzeugten mesoporösen Titanoxidoberflächen (TMS) eignen sich hervorragend für biologische Anwendung. Die HIUS-Behandlung ist eine ideale Methode für die Meso-Strukturierung von Feststoffen, mit der man die topographischen Eigenschaften der produzierten Oberflächen durch Parameter wie dem Lösungsmittel, die verwendeten Zusatzstoffe, der Intensität und der Dauer des Ultraschalls präzise bestimmen kann. Mesoporöses Titandioxid erscheint aufgrund seiner Biokompatibilität sowie seiner physikochemischen und strukturellen Eigenschaften auch für weitere in vitro und eventuell auch in vivo Studien sehr gut geeignet zu sein. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Auswirkung von verschiedenen TMS- Oberflächen auf das Zellwachstum in zwei verschiedenen Experimenten untersucht. Zunächst wurde die Wirkung der Oberflächen-Nanotopographie auf das Einzelzellverhalten untersucht und im zweiten Schritt auf die 3D- Gewebebildung. Zu diesem Zweck untersuchten wir das Verhalten von Modell- MC3T3-E1-Präosteoblasten-Zellinien auf Titanoberflächen mit unterschiedlichen Unordnungsgraden: unmodifiziertes Titan, mesoporöses- (TMS) und nanotubuläres- Titanoxid (TNT) hergestellt durch anodische Oxidation. Die Ergebnisse zeigten eine oberflächenabhängige Form, Dicke und Ausbreitung von Zellen aufgrund unterschiedlicher Adhäsion. Die Zellen auf TMS waren polygonal geformt und gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt, dagegen waren die Zellen auf TNT langgestreckt und fibroblast-artig. Obwohl beide nanostrukturierte Oberflächen die Zelladhäsion verschlechterten, erfolgte die Anlagerung und Ausbreitung von Zellen auf TMS besser als auf TNT. Die Zellmigration auf TMS hatte einen kollektiveren Charakter als auf TNT, wahrscheinlich infolge des geringeren Abstandes zwischen benachbarten Zellen. Darüber hinaus haben wir die Rolle der Nanotopographie auf das 3D-Gewebewachstum in den Mikrokanälen von Titangerüsten untersucht. Sowohl die Außen- als auch die Innenfläche des Gerüstes besaßen ähnliche nanostrukturelle Merkmale und bestätigten das Potential dieser Oberflächenbehandlungen zur Modifikation komplexer Implantatgeometrien. Obwohl keine signifikanten Unterschiede in der mittleren Gewebeschichtdicke von Gerüsten mit unterschiedlicher Nanotopographie beobachtet wurde, wurden die Struktur und die Adhäsion des Gewebes auf der Oberfläche beeinflusst. Im Gegensatz zu nichtmodifizierten Gerüsten wurde bei nanostrukturierten Gerüsten eine Gewebeablösung beobachtet, was auf eine verminderte Zelladhäsion hindeutet. Zusammengefasst könnten die in dieser Dissertation vorgestellten Experimente wichtige Erkenntnisse für das Design von titanbasierten Gewebe- Engineering-Strategien und eine interessante Plattform für die Lab-on-a-Chip-Zellkultivierung haben.
