dc.contributor.author
Zhukova, Yulia
dc.date.accessioned
2018-06-07T22:54:16Z
dc.date.available
2017-09-19T12:48:36.344Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/9791
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-13989
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.format.extent
118 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
nanotopography
dc.subject
preosteoblasts
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::547 Organische Chemie
dc.title
Surface nanostructuring for cell and tissue growth
dc.contributor.contact
yulia.zhukova88@gmail.com
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Peter Fratzl
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Rainer Haag
dc.date.accepted
2017-08-15
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000105414-5
dc.title.translated
Oberflächen-Nanostrukturierung für Zell- und Gewebewachstum
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000105414
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000022326
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access