University of Groningen
Exploring combined influences of material topography, stiffness and chemistry on cell
behavior at biointerfaces
Zhou, Qihui
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Zhou, Q. (2018). Exploring combined influences of material topography, stiffness and chemistry on cell behavior at biointerfaces. Rijksuniversiteit Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
SAMENVATTING
132
Om aan de behoefte voor een hogere kwaliteit van leven te voldoen zijn tissue engineering en regeneratieve geneeskunde in ontwikkeling met als doel om weefsels te vervangen of te regenereren door cellen uit het lichaam te combineren met geschikte mallen van biomaterialen. Het ontwerp van hoogwaardige biomaterialen is van essentieel belang voor het succes van biomedische apparatuur en de productie van bio-geïnspireerde vervangende weefsels. Hoewel het al bewezen is dat de fysisch-chemische eigenschappen van biomateriaaloppervlakken een significant effect hebben op (stam)cellen staat het beheersen van de complexiteit van biomaterialen en de interactie ervan met cellen nog in de kinderschoenen vanwege een gebrek aan efficiënte experimentele platforms. In dit proefschrift zijn geavanceerde materiaaloppervlakken ontwikkeld om hun interacties met (stam) cellen te onderzoeken en de ontwikkeling van hoogwaardige biomaterialen te verbeteren en versnellen.
Hoofdstuk 1 geeft een algemene introductie over het natuurlijke micromilieu van cellen, met name over de zogenaamde extracellulaire matrix (ECM). Daarnaast wordt beschreven hoe cellen reageren op de fysisch-chemische eigenschappen van functionele en biomimetische materialen, gevolgd door de actuele vraagstukken die geleid hebben tot de doelstelling van dit proefschrift.
Om te kunnen onderzoeken hoe multi-parameter materiaaloppervlakken de respons van de cel beïnvloeden, zijn in Hoofdstuk 2 uitgelijnde nanotopografische oppervlakken met verschillende mechanische eigenschappen ontwikkeld en toegepast om een dieper inzicht in cel-materiaal interacties te krijgen. Een PDMS substraat met een uitgelijnde topografie in de vorm van een golf structuur werd toegepast als template voor een pHEMA hydrogel via hydrogel inprenting lithografie, resulterend in een hydrogel met dezelfde topografie en dimensies als het PDMS oppervlak, maar met een andere stijfheid. Voor zover ons bekend is dit de eerste keer dat nanotopografische effecten gecombineerd werden met mechanische materiaaleigenschappen die twee ordes van grootte verschillen in Young's modulus. De biogrensvlakken werden gebruikt om de respons van osteoblast-achtige cellen (SaOs), fibroblasten en lensepitheelcellen (LECs) te evalueren, afkomstig uit weefsels met verschillende intrinsieke stijfheden. In tegenstelling tot onze verwachting werd de adhesie van LECs geremd door een zachte topografie, terwijl de adhesie van SaOs werd beperkt door de harde structuur. Zowel de productie van collageen I als de expressie van ALP werden echter meer gestimuleerd op de harde grensvlakken na 5 dagen kweken, met name op het harde topografische oppervlak. De zachte structuur induceerde fibrose-vorming door de expressie van collageen I en α-SMA in HSkF en LEC te verhogen. De gepresenteerde platforms bieden dus een nieuwe strategie om de interactie tussen complexe biogrensvlakken en cellen te bestuderen, wat de ontwikkeling van biomedische materialen zal versnellen en optimaliseren.
Daarnaast werden in Hoofdstuk 3 platforms ontwikkeld met een patroon van gouden nanodraden in verschillende ordes van grootte (macro- naar nano-range) om de respons van mesenchymale stamcellen uit humaan beenmerg (hBM-MSCs) te onderzoeken. Gemakkelijke controle over de plaatsing van de biomimetische Au-nanodraadstructuren op het glazen substraat beïnvloed de organisatie van cellen via synergistische effecten van zowel de micro/nanotopografie van het oppervlak als chemische cues. Het anisotrope nanobiogrensvlak kan stabilisatie en georiënteerde groei van focale adhesiepunten induceren en daardoor contractie en uitlijning van actine in het cytoskelet genereren. Interessant is dat wanneer de hoek van de Au-nanodraden op het glas
vergroot wordt van 0° naar 90°, de ordening van de hBM-MSCs een overgang vertoont van een vectorrespons-geïnduceerde unidirectionele verdeling naar een bimodaal polarisatiepatroon. De mate van de cel-vectorrespons en elongatie nam af met toenemende Au-nanodraad hoeken van 0 tot 90º. Daarnaast hebben we laten zien dat de specifieke adhesie en ordening van cellen afhankelijk zijn van de micro/nanotopografie van het oppervlak. Dit effect werd versterkt door verschillen in de affiniteit van stamcel-materiaal interacties als gevolg door verschil in eiwitadsorptie tussen glas en goud. Het gepresenteerde nanobiogrensvlak zal een nieuw methodologisch platform bieden om het gedrag van neuraal weefsel of intracellulaire afgifte van therapeutische macromoleculen onder elektrische of thermische stimulatie te onderzoeken. Bovendien kan de oppervlaktechemie op dit platform gemakkelijk aangepast worden om functionele groepen of bioactieve factoren (eiwitten) te integreren. Daarmee kan de complexiteit van het biogrensvlak, die nodig is om cel-oppervlak interacties verder te onderzoeken, verhoogd worden.
De oppervlakte-eigenschappen van biomaterialen geven belangrijke cues die het gedrag van (stam)cellen sturen, maar zoals gepresenteerd in Hoofdstuk 2 & 3 is dit niet altijd voorspelbaar. Om de relatie tussen de eigenschappen van biomaterialen en de biologische prestaties beter te begrijpen en ook om de optimale cellulaire respons te bepalen werden in Hoofdstuk 4-6 complexe bio-analytische platforms met hoog rendement ontwikkeld. Oppervlakken met gradiënten vormen een krachtig HTS platform om het meerschalige ontwerp te versnellen en materiaaleigenschappen te optimaliseren en daarmee de functie van biomaterialen te verbeteren. In Hoofdstuk 4 werden oppervlak-uitgelijnde nanotopografie gradiënten op basis van PDMS geprepareerd door middel van een rek-oxidatie-ontspanningsprocedure met verschillende plasmabehandelingstijden om de adhesie en uitlijning van osteoblastachtige cellen efficiënter en nauwkeuriger te bestuderen. Er werd gevonden dat het osteoblast-achtige gedrag van cellen beïnvloed wordt door kleine veranderingen in de topografie van het oppervlak. Grotere dimensies van de groeven (d.w.z. amplitude en golflengte) resulteerden in minder focale adhesiepunten, terwijl de oriëntatie van de focale adhesiepunten en de uitlijning van de cellen initieel toenamen met groter wordende dimensies maar vervolgens weer afnamen. Belangrijk is dat werd vastgesteld dat groeven met een amplitude van 130-180 nm en een golflengte van 550-730 nm de meest gunstige topografie vormen voor het induceren van celuitlijning, terwijl een amplitude van 15-45 nm en een golflengte van 400-520 nm de optimale gecombineerde parameterrespons geven om het gedrag van cellen te reguleren. Deze uitkomst van cellulaire focale adhesie op de gradiëntoppervlakken weerlegde een lineair verband tussen celadhesie en de aspectratio, zoals werd gevonden op uniforme substraten waardoor het belang van gradiënten verder bevestigd werd.
Met behulp van bovenstaande gradiënten werd in Hoofdstuk 5 een nieuwe strategie ontwikkeld om PDMS-substraten met gradiënten van groeven te vertalen naar verschillende klinisch-relevante anorganische biomaterialen om de in vitro respons van hBM-MSC’s te bestuderen. We vonden een positieve correlatie tussen de uitlijning van cellen en de oriëntatie van het cytoskelet, filopodia, en focale adhesiepunten. Op basis van bovenstaand platform werd de optimale dimensie van de groef geïdentificeerd voor het bevorderen van de uitlijning van hBM-MSCs, de oriëntatie van het cytoskelet, lange/parallelle filopodia evenals de assemblage en oriëntatie van de focale adhesiespunten (golflengte: 7121 nm, amplitude: 2561 nm). De topografie en het
SAMENVATTING
134
materiaal van het grensvlak hebben dus gecombineerde effecten op de respons van hBM-MSCs op de gradiëntplatforms, wat suggereert dat we een screening moeten toepassen om de optimale eigenschappen voor zowel huidige als nieuwe biomaterialen te beoordelen.
Om zowel de efficiëntie te verbeteren als de complexiteit te verhogen werd in Hoofdstuk 6 een verbeterd HTS platform ontwikkeld waarbij een oppervlak met een orthogonale, dubbele gradiënt gebruikt werd om het effect van gecombineerde fysische parameters op het gedrag van stamcellen te onderzoeken en zo inzicht te krijgen in hBM-MSC responsen. Op de orthogonale, dubbele gradiënt variëren de stijfheid en de oppervlakte polariteit onafhankelijk en doorlopend, loodrecht op elkaar, op één enkel sample. Elke locatie op het oppervlak heeft daardoor een unieke combinatie van eigenschappen, die over een grote range geprepareerd worden met behulp van plasma oxidatie en chemische modificatie. Het bleek dat de meeste cel responsen niet-lineair gereguleerd werden door de stijfheid van het materiaal en de oppervlakte polariteit. Aan de hand van het platform met de orthogonale, dubbele gradiënt zijn de optimale gecombineerde eigenschappen van het oppervlak voor het ondersteunen van hBM-MSC adhesie, kerngrootte, spreiding en ook de expressie van vinculine bepaald. Het platform maakt het mogelijk om de relatie tussen de eigenschappen van biomaterialen en biologische prestatie efficiënt te analyseren en een bibliotheek voor biomaterialen op te zetten, wat de ontwikkeling van de volgende generatie biomaterialen voor biomedische engineering kan versnellen.
In de algemene discussie (Hoofdstuk 7) worden de belangrijkste bevindingen van dit proefschrift en de mogelijkheden voor toekomstig onderzoek in dit veld beschreven. Dit hoofdstuk laat zien dat complexe materiaalinterfaces ontworpen en ontwikkeld zijn om interacties tussen cellen en materialen te bestuderen. Daarnaast benadrukt het de relatie tussen de eigenschappen van biomaterialen en het biologisch functioneren, wat in de toekomst mogelijk toegepast kan worden in geavanceerde tissue engineering en in de regeneratieve geneeskunde. Cellen verwerken constant meerdere sturende signalen uit hun micromilieu. Door zoveel mogelijk verschillende parameters in onze biomaterialen te verwerken kunnen we de respons van de cel op interactie met een materiaal accuraat bestuderen. Om het gedrag van cellen goed te kunnen controleren is het van cruciaal belang om de optimale cel respons te bepalen door de interactie tussen cellen en materialen gedetailleerd te bestuderen over een breed spectrum. De bevindingen beschreven in dit proefschrift gaan waarschijnlijk andere onderzoekers helpen om het gedrag van cellen op een efficiëntere manier te onderzoeken vanuit een complexere invalshoek. Het is niet alleen onze taak om meer kennis te vergaren over de interacties tussen cellen en biomaterialen, maar ook om deze kennis toe te passen en daarmee de ontwikkeling van commercieel verkrijgbare, high-performance biomaterialen te versnellen.
