TU Darmstadt / ULB / TUprints

Surface modification for enhanced cell adhesion under high shear stress conditions

Siddique, Asma (2020):
Surface modification for enhanced cell adhesion under high shear stress conditions.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011862,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Surface modification for enhanced cell adhesion under high shear stress conditions
Language: English
Abstract:

The vascular system, one of the bases of life mechanisms, connects tissues and organs by means of blood vessels, supplies nutrient–containing blood throughout the body and removes waste products. Any functional abnormalities in vascular system can cause critical diseases such as tumor, angiogenesis and cancer. Cardiovascular diseases are the leading cause of death globally. Therefore, the vascular science is a field with strong translational focus to develop insight in vascular physiology and disease treatments. Many of the vascular functions, hemodynamic forces, cellular interactions and related diseases are strictly associated to the physical geometry of vasculature. Moreover the endothelial lining of blood vessels is subjected to a continuous hemodynamic shear stress, which is also essential to regulate cell morphology and functions. Replication of cardiovascular system in vitro requires a dynamic 3D microenvironment to modulate the fundamentals of vasculature and diseases models. Meanwhile, the introduction of microfluidics in vascular research enables us to study disease models in particular dimensions and at well-defined shear stress. Polydimethylsiloxane (PDMS) based microfluidic systems, lined with endothelial cells, provide a versatile platform to study the mechanoresponse of cells in vitro. Extracellular matrix proteins are used to coat PDMS surface prior to cell growth to provide cell a natural environment. However, the long-term cell studies are limited due to instability of coated proteins inside PDMS microchannels under physiological shear stress conditions. To increase the stability under flow conditions, various protein-substrate linkages were developed for stable cell growth. PDMS surface was functionalized by using four different methods (i) O2 plasma (ii) (3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES) (iii) APTES-Gluteraldehyde and (iv) protonated APTES, in order to develop a stable bond with collagen–an ECM protein. Moreover, collagen at three different pH values (pH 5, 7 and 9), which attributed to certain charge distribution on molecules, was used to further enhance its bond strength with variety of functionalized surfaces. Different microfluidic device designs were used to evaluate coating efficiency and cell growth under continues shear stress (10-300 dyn/cm2), which is even higher than physiological shear stress. The comparison of all surface modification methods showed that, the electrostatic interaction between APTES mediated surfaces and collagen molecules at higher pH values found to be very stable for subsequent cell growth at high shear stress. Therefore, the surface modification technique based on APTES can also be applied to other ECM proteins, enabling long term in vitro cell studies in PDMS micro-channels to replicate blood vessels and related disease models.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Gefäßsystem, eine wichtige Basis für die Lebensfunktion, verbindet Gewebe und Organe durch Blutgefäße, versorgt den Köper mit nährstoffreichem Blut und entsorgt Abfallprodukte. Jegliche Fehlfunktion des Gefäßsystems kann schwerwiegende Krankheiten verursachen, wie z. B. Tumorgenese, Angiogenese oder Krebs. Kardiovaskuläre Krankheiten sind die weltweit häufigsten Todesursachen. Aus diesem Grund ist die Gefäßwissenschaft ein Gebiet mit starkem translationalen Fokus auf die vaskuläre Physiologie und Krankheitsbehandlung. Viele Gefäßfunktionen, hämodynamische Kräfte, zelluläre Wechselwirkungen und assoziierte Krankheiten können direkt mit der physikalischen Geometrie der Gefäße in Zusammenhang gebracht werden. Darüber hinaus sind Endothelzellen in den Blutgefäßen einer permanenten hämodynamischen Scherspannung ausgesetzt, die auch für die Zellmorphologie und -funktion verantwortlich ist. Um das Gefäßsystem für Krankheitsmodelle in vitro zu mimen wird eine dynamische dreidimensionale Mikroumgebung benötigt. Die Entwicklung von mikrofluidischen Systemen für die Gefäßforschung ermöglichte die Untersuchung von Krankheitsmodellen in drei Dimensionen und bei exakt definierten Scherspannung. Die auf Polydimethylsiloxan (PDMS) basierenden mikrofluidischen Systeme, deren Kanäle mit Endothelzellen beschichtet sind, bieten eine vielseitige Plattform, um die mechanoresponsiven Eigenschaften von Zellen in vitro zu untersuchen. Um den Zellen eine natürliche Umgebung zu schaffen, werden Moleküle der extrazellulären Matrix (EZM) als Beschichtung der PDMS-Oberflächen verwendet. Langzeituntersuchen sind jedoch durch die Instabilität der Proteinbeschichtung in den PDMS-Mikrokanälen bei Verwendung physiologischer Bedingungen in Bezug auf die Scherspannung beschränkt. Um die Stabilität bei Scherbedingungen zu verbessern, wurden diverse Protein-Substrat-Verbindungen für ein stabiles Zellwachstum entwickelt. In dieser Arbeit wurden PDMS-Oberflächen mit vier verschiedenen Methoden funktionalisiert: (i) Sauerstoffplasma (ii) (3-Aminopropyl)triethoxysilan (APTES) (iii) APTES-Gluteraldehyd und (iv) protoniertes APTES um eine stabile Verbindung mit dem Kollagen, ein Protein der extrazellulären Matrix, zu generieren. Darüber hinaus wurde Kollagen bei drei unterschiedlichen pH-Werten (pH 5, 7, und 9) verwendet, die zu bestimmten Ladungsverteilungen der Moleküle führen, um die Bindungsstärke mit den verschieden funktionalisierten Oberflächen weiter zu erhöhen. Des Weiteren wurden unterschiedliche geometrische Ausführungen der mikrofluidischen Systeme entwickelt, um die Beschichtungseffizienz und das Zellwachstum bei kontinuierlicher Scherspannung (10-300 dyn/cm2, höher als die physiologische Scherspannung) zu bewerten. Der Vergleich der verwendeten Oberflächenmodifikationen ergab, dass die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen APTES-beschichteten Oberflächen und den Kollagen-Molekülen bei hohem pH-Wert zu stabilen Bedingungen für das anschließende Zellwachstum bei hoher Scherspannung führen. Diese Methode der Oberflächenmodifikation basierend auf APTES kann auch auf andere EZM-Proteine angewendet werden, was Langzeit-in-vitro-Zellstudien in PDMS-Mikrokanälen ermöglicht, um Blutkanäle und zugehörige Krankheitsmodelle zu replizieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physics of Surfaces
Date Deposited: 08 Jul 2020 08:37
Last Modified: 08 Jul 2020 09:13
DOI: 10.25534/tuprints-00011862
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-118621
Referees: Stark, Prof. Dr. Robert and Biesalski, Prof. Dr. Markus
Refereed: 15 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11862
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