Controlling Surface-Induced Platelet Activation by Modulation of Contacting Interfaces
Creators: name: Apte, Gurunath Prasad
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023

description: Blutplättchen, auch Thrombozyten genannt, sind ein wesentlicher Bestandteil des menschlichen Blutgerinnungssystems. Die Hauptaufgabe der Thrombozyten innerhalb des Körpers besteht in der Blutstillung. Außerhalb des Körpers neigen Thrombozyten jedoch dazu, nach kurzem Kontakt mit synthetischen, nicht physiologischen Oberflächen zu aktivieren, was für viele Anwendungen unerwünscht sein kann, einschließlich der Lagerung von Thrombozyten und der Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Thrombozyten und Arzneimitteln. Normalerweise werden Thrombozyten-Konzentrate in handelsüblichen Plastikbeuteln aufbewahrt, die eine große Menge an Weichmachern enthalten, um die Flexibilität des Beutels zu erhöhen und die Möglichkeit eines Bruchs während der Handhabung und des Transports zu vermeiden. Bei längerer Exposition können die giftigen Weichmacher in das Thrombozyten-Konzentrat entweichen. Aktivierte Thrombozyten setzen eine Vielzahl von Proteinen frei, die den Prozess der oberflächeninduzierten Thrombozytenaktivierung (SIPA) weiter unterstützen. SIPA ist eines der Hauptprobleme von Medizinprodukten mit Blutkontakt und Transfusionsgeräten, und ein entscheidender Faktor für die verkürzte Haltbarkeit gelagerter Thrombozyten. Um SIPA zu vermeiden, werden den Thrombozyten-Konzentraten Antikoagulantien zugesetzt, so dass sie bis zu 5 Tage gelagert werden können. Diese Antikoagulantien greifen in die Aktivierungswege der Thrombozyten ein und beeinträchtigen so ihre Funktionalität. Das häufigste Problem bei der Lagerung von Thrombozyten ist schließlich die Gefahr einer bakteriellen Kontamination. Um dieses Problem zu lösen, werden verschiedene UV-Behandlungen eingesetzt, um das Risiko einer Kontamination mit Krankheitserregern zu minimieren. Studien zeigen jedoch, dass diese Strahlung mit kurzer Wellenlänge die Bestandteile der Thrombozytenmembran zerstören und zu einer Aktivierung der Thrombozyten führen kann. Diese zahlreichen, oft miteinander verknüpften Probleme verdeutlichen den dringenden Bedarf an einer effizienten Lösung zur Optimierung der Lagerungsbedingungen für Thrombozyten und zur Maximierung ihrer Lagerfähigkeit. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, Oberflächen zu entwickeln, die die Adhäsion von Thrombozyten hemmen und somit ihre Aktivierung und Aggregation verhindern - ohne dass der Zusatz von Antikoagulantien erforderlich ist. Für die Veränderung der Oberflächeneigenschaften stehen drei verschiedene Ansätze zur Verfügung: Biophysikalische, physikochemische oder biochemische Strategien können Verwendet werden, um eine plättchenfreundliche Oberfläche zu gestalten. In der ersten Phase dieses Projekts wurde eine Kombination aus physikochemischen und biophysikalischen Ansätzen angewandt, um Hydrogele aus Gelatine und Agarose herzustellen, die anschließend durch Integration von Eisennanopartikeln zu Nanokompositen verarbeitet wurden. Agarose-basierte Hydrogel-Filme erwiesen sich dabei durch die Kombination von Oberflächenbenetzbarkeit und besseren mechanischen Eigenschaften als ideale Oberflächen. Mikroskopaufnahmen zeigten, dass die Anzahl der Blutplättchen, die an solchen Oberflächen adhärieren, deutlich reduziert und die Ausbreitung der Blutplättchen verhindert wurde. Hergestellte Agarose-Filme und ihre Nanokomposite konnten darüber hinaus bakterielles Wachstum erfolgreich hemmen: Von allen getesteten Proben wurde der höchste Prozentsatz an toten Bakterien auf den Nanokomposit-Filmen gemessen. Die Topographie des Substrats spielt eine entscheidende Rolle für das Verhalten der Zellen und die Kontrolle ihrer Physiologie und Morphologie. Für die Veränderung der Oberflächentopografie stehen zahlreiche komplexe Techniken zur Verfügung. In dieser Arbeit wurden zwei Techniken mit individuellen Vorteilen zur Herstellung von Nanostrukturen eingesetzt. Bei der ersten handelt es sich um ein auf der Rasterkraftmikroskopie (AFM) basierendes Fluidiksystem namens FluidFM, bei dem eine Monomere enthaltende Tinte aus der Öffnung des Cantilever Spitze auf die Oberfläche extrudiert wird. Nach dem Druckvorgang wird die Tinte polymerisiert, um 3D-Strukturen zu erhalten. Mit Hilfe von kontinuierlichen und diskontinuierlichen Topografien wurden hexagonale Bienenstock- bzw. halbkugelförmige Gitterstrukturen hergestellt. Dabei zeigte sich, dass die Thrombozyten diese Strukturierung mechanisch wahrnehmen und ihr Zytoskelett umorganisieren, was zu einer geringeren Ausbreitung der Blutplättchen führt. Darüber hinaus wurde die Technik zum Drucken einer modifizierten biofunktionalisierten Tinte verwendet, die so modifiziert wurde, dass Moleküle mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen in die Basistinte integriert wurden. Diese Modifikation führte nur zu einer geringfügigen Veränderung der mechanischen Eigenschaften der gedruckten Strukturen, während ihre Funktionalität erhalten blieb. Die Möglichkeit, Bindungsmotive für spezifische Wechselwirkungen zu integrieren, demonstriert die Vielseitigkeit der FluidFM und ebnet den Weg für die weitere Erforschung des biochemischen/topographischen Ansatzes im Bereich der Entwicklung plättchenfreundlicher Oberflächen. Das Drucken von Mikro- und Nanostrukturen stellt eine schnelle, kostengünstige und effiziente Methode zur Herstellung verschiedener geometrischer Prototypen dar und kann nicht nur zur Untersuchung verschiedener Strukturformen, sondern auch ihrer Größe und anderer topografischer Parameter eingesetzt werden. Die zweite verwendete Technik war die thermische Nanoimprint-Lithografie (T-NIL), mit der ein breiteres Spektrum an Oberflächentopologien untersucht werden konnte, einschließlich Punkt, Kette, Pille und Quadrat-förmiger. Diese Nanomuster wurden auf Siliziumscheiben geätzt und auf einen PDMS-basierten Stempel übertragen, der so zum Prägen von Hydrogelen verwendet werden konnte. Verschiedene Topologien wurden auf die Oberfläche von Agarosegelen geprägt, um ihre zuvor beobachtete, hemmende Wirkung auf die Thrombozytenadhäsion zu verbessern. Das pillenförmige Nanomuster war dabei am besten geeignet, um die Thrombozytenadhäsion zu hemmen, was auf die Höhe der Struktur zurückgeführt werden kann. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass in diesem Projekt Hydrogelfilme auf Agarosebasis, insbesondere in Form von Nanokompositen mit integrierten antibakteriellen Eisennanopartikeln, entwickelt wurden, die Lagerungsbedingungen für Thrombozyten deutlich verbessern, indem sie die SIPA und das Risiko einer bakteriellen Kontamination verringern. UV-Behandlungen von Thrombozyten-Konzentraten werden dadurch überflüssig. Durch die Einführung verschiedener Oberflächentopologien kann die Adhäsion von Thrombozyten gehemmt werden: Das FluidFM-basierte vielseitig einsetybare Nanodrucksystem wurde für die Erforschung und Entwicklung von Prototypen effektiver Geometrien eingesetzt, während T-NIL für die Prägung ausgewählter Strukturen auf die Oberfläche von Agarose-Filmen verwendet werden kann, um eine einheitliche Oberflächentopographie zu schaffen.