Nanostructured polymeric surfaces for biological interfaces
Rosqvist, Emil (2021-11-26)
Rosqvist, Emil
Åbo Akademi University
26.11.2021
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4123-9
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4123-9
Tiivistelmä
In order to manufacture novel synthetic materials for use in biological applications, the continuous interactions over the materials interface must be thoroughly understood. It is difficult to develop all-encompassing descriptions of the multifaceted and dynamic character of these interactions and such conclusions elude scientists to date. Mammalian and bacterial cells react to physico-chemical properties of their surroundings. Such properties include a.o. surface energy, wetting, topography, and stiffness. Using materials with a controlled physico-chemical character, cells can be influenced through controlled interactions. Disparate responses driven by different materials have been observed — such as changes in adhesion, spreading, viability, morphology, division, and phenotype.
In this work different latex polymers were used to produce nanostructured surfaces with a controllable physico-chemical character, which was profoundly parameterised. The intent was to investigate how the character of the surfaces would influence Staphylococcus aureus bacterial biofilms as well as mammalian cells, specifically human dermal fibroblasts (HDF) and cervical cancer cells (HeLa). Cellular viability as well as the content and structure of the extracellular matrix or the biomatrix were used as measures of biological responsivity. In the bacterial studies, the responses of S. aureus to the surfaces were also compared in two different assays.
Surface properties, such as the peak and valley structures, influenced the viability of S. aureus and the polysaccharide contents of the bacterial biomatrix. Furthermore, these biofilms were influenced differently by the surface properties in the different assays. Another novel finding was that surface properties (and assay) can influence the S. aureus surface proteome. The amount of several virulence-associated proteins on the bacterial surface could for the first time be correlated with surface roughness parameters.
Mammalian HDF and HeLa cells responded differently to the surface nanotopography and surface chemistry. The viability of HeLa cells was influenced by e.g. the surface chemical character of the surfaces, but the viability of HDF cells was not influenced. An increasing amplitude of topographical peaks and valleys both increased the HDF viability, but the viability of HeLa cells was primarily benefited by a valley-dominated surface topography.
These surfaces were applied in an affordable, tailorable, paper-based planar diagnostics platform. The processability of the platform was demonstrated by using it both in a materials study and a drug screening study. In the studies, both the material and the drug were applied onto the platform with up-scalable methods. The analysis was done colorimetrically with an office scanner and a custom software. The results proved to be of comparable reliability with studies done in commercial well-plates and analysed with advanced plate readers.
This work shows that by using an extensive selection of surface parameters their individual influence on cells can be decoupled. Further, it shows that significant variations in different bioresponses can be observed when cells are grown on surfaces with nanoscale topographical differences. Such surfaces can be used to develop accessible, reliable and low-cost diagnostics platforms. The knowledge obtained can be used to develop novel materials for bio-applications, e.g. biomedical surfaces, where bacterial and cellular interactions with or via the material, e.g. fomite transmission, must be controlled. ---------
För att tillverka nya syntetiska material för användning i biologiska tillämpningar måste de evinnerliga interaktionerna över det biologisk-syntetiska gränssnittet förstås i grunden. Denna mångfacetterade och dynamiska samverkan gör detaljstudierna svåra att tillämpas i alla situationer, och allmänna slutledningar om samverkan mellan cell och material svåra att dra. Mammalie- och bakterieceller reagerar på omgivningens alla fysikalisk-kemiska egenskaper, så som ytenergi, vätning, topografi och styvhet, osv. Genom att tillverka material där dessa egenskaper justeras kan man kontrollera eller påverka celler. Mångskiftande materialdrivna responser har mätts hos celler — allt från ändringar i adhesion, spridning och viabilitet till morfologi-, föröknings- och fenotypsförändringar.
I detta arbete har olika latexpolymerer använts för att tillverka nanostrukturerade ytor med intressant och kontrollerbar fysikalisk-kemiska karaktär, vilken parametriserades ingående. Målet var att undersöka hur variationer i ytornas fysikalisk-kemiska ytegenskaper påverkar Staphylococcus aureus biofilmer, mammalie- och bakterieceller, specifikt mänskliga hudfibroblastceller (HDF) och livmodercancerceller (HeLa) respektive. Som biologiska mått på cellernas respons användes viabilitet, samt den extracellulära matrisens eller biomatrisens struktur och innehåll. I bakteriestudierna jämfördes också S. aureus’ responser till ytorna i två olika bakterieodlingsmetoder.
Ytegenskaper som t.ex. topp- och dalstrukturer påverkade S. aureus biofilmernas viabilitet och biomatrisens polysackaridinnehåll. Den inverkan som ytegenskaperna hade på biofilmerna visades även variera beroende på odlingsmetod. En ny upptäckt var också att bakteriernas ytproteininnehåll påverkades av både ytegenskaper och odlingsmetod. Mängderna av flera av dessa virulensassocierade proteiner kunde för första gången korreleras med ytråhetsparametrar.
HDF- och HeLa-cellerna påverkades på sinsemellan olika sätt av ytornas nanotopografi och ytkemiska egenskaper. Exempelvis påverkades HeLa-cellernas viabilitet noterbart av ytornas kemiska karaktär, medan HDF-cellernas viabilitet påverkades ej. För de erhållna ytnanostrukturerna verkade HDF-cellerna gynnas av både dominerande topp- och dalstrukturer med högre amplitud. Dominerande dalar med ökande avstånd mellan ytstrukturer verkade däremot främst gynna HeLa-cellerna.
Dessa ytor tillämpades i en förmånlig och anpassningsbar planär pappersbaserad diagnostikplattform. Plattformens processerbarhet demonstrerades genom att använda den i en materialstudie och en läkemedelsutvärderingsstudie. I bägge applicerades material och läkemedel i plattformen med metoder som lämpar sig för storskalig produktion. Analys skedde kolorimetriskt med en kontorsscanner och skräddarsydd mjukvara. När resultaten jämfördes med parallellstudier från en kommersiell plastbrunnsplatta som analyserats med konventionella, avancerade plattläsare visade sig resultaten ha jämförbar tillförlitlighet.
Detta arbete visar att ett omfattande urval ytparametrar kan användas för att frikoppla olika ytegenskapers påverkan på celler. Ytterligare visas att redan topografiska skillnader på nanoskala kan driva signifikanta variationer i olika bioresponser. Dessa ytor kan användas för mycket processerbara diagnostikplattformer, som trots enkla metoder kan ge tillförlitliga resultat. Resultaten från dessa studier kan utnyttjas för att utveckla nya material för biotillämpningar, t.ex. biomedicinska ytor där bakterie- och cellinteraktioner med eller via materialet måste kontrolleras.
In this work different latex polymers were used to produce nanostructured surfaces with a controllable physico-chemical character, which was profoundly parameterised. The intent was to investigate how the character of the surfaces would influence Staphylococcus aureus bacterial biofilms as well as mammalian cells, specifically human dermal fibroblasts (HDF) and cervical cancer cells (HeLa). Cellular viability as well as the content and structure of the extracellular matrix or the biomatrix were used as measures of biological responsivity. In the bacterial studies, the responses of S. aureus to the surfaces were also compared in two different assays.
Surface properties, such as the peak and valley structures, influenced the viability of S. aureus and the polysaccharide contents of the bacterial biomatrix. Furthermore, these biofilms were influenced differently by the surface properties in the different assays. Another novel finding was that surface properties (and assay) can influence the S. aureus surface proteome. The amount of several virulence-associated proteins on the bacterial surface could for the first time be correlated with surface roughness parameters.
Mammalian HDF and HeLa cells responded differently to the surface nanotopography and surface chemistry. The viability of HeLa cells was influenced by e.g. the surface chemical character of the surfaces, but the viability of HDF cells was not influenced. An increasing amplitude of topographical peaks and valleys both increased the HDF viability, but the viability of HeLa cells was primarily benefited by a valley-dominated surface topography.
These surfaces were applied in an affordable, tailorable, paper-based planar diagnostics platform. The processability of the platform was demonstrated by using it both in a materials study and a drug screening study. In the studies, both the material and the drug were applied onto the platform with up-scalable methods. The analysis was done colorimetrically with an office scanner and a custom software. The results proved to be of comparable reliability with studies done in commercial well-plates and analysed with advanced plate readers.
This work shows that by using an extensive selection of surface parameters their individual influence on cells can be decoupled. Further, it shows that significant variations in different bioresponses can be observed when cells are grown on surfaces with nanoscale topographical differences. Such surfaces can be used to develop accessible, reliable and low-cost diagnostics platforms. The knowledge obtained can be used to develop novel materials for bio-applications, e.g. biomedical surfaces, where bacterial and cellular interactions with or via the material, e.g. fomite transmission, must be controlled.
För att tillverka nya syntetiska material för användning i biologiska tillämpningar måste de evinnerliga interaktionerna över det biologisk-syntetiska gränssnittet förstås i grunden. Denna mångfacetterade och dynamiska samverkan gör detaljstudierna svåra att tillämpas i alla situationer, och allmänna slutledningar om samverkan mellan cell och material svåra att dra. Mammalie- och bakterieceller reagerar på omgivningens alla fysikalisk-kemiska egenskaper, så som ytenergi, vätning, topografi och styvhet, osv. Genom att tillverka material där dessa egenskaper justeras kan man kontrollera eller påverka celler. Mångskiftande materialdrivna responser har mätts hos celler — allt från ändringar i adhesion, spridning och viabilitet till morfologi-, föröknings- och fenotypsförändringar.
I detta arbete har olika latexpolymerer använts för att tillverka nanostrukturerade ytor med intressant och kontrollerbar fysikalisk-kemiska karaktär, vilken parametriserades ingående. Målet var att undersöka hur variationer i ytornas fysikalisk-kemiska ytegenskaper påverkar Staphylococcus aureus biofilmer, mammalie- och bakterieceller, specifikt mänskliga hudfibroblastceller (HDF) och livmodercancerceller (HeLa) respektive. Som biologiska mått på cellernas respons användes viabilitet, samt den extracellulära matrisens eller biomatrisens struktur och innehåll. I bakteriestudierna jämfördes också S. aureus’ responser till ytorna i två olika bakterieodlingsmetoder.
Ytegenskaper som t.ex. topp- och dalstrukturer påverkade S. aureus biofilmernas viabilitet och biomatrisens polysackaridinnehåll. Den inverkan som ytegenskaperna hade på biofilmerna visades även variera beroende på odlingsmetod. En ny upptäckt var också att bakteriernas ytproteininnehåll påverkades av både ytegenskaper och odlingsmetod. Mängderna av flera av dessa virulensassocierade proteiner kunde för första gången korreleras med ytråhetsparametrar.
HDF- och HeLa-cellerna påverkades på sinsemellan olika sätt av ytornas nanotopografi och ytkemiska egenskaper. Exempelvis påverkades HeLa-cellernas viabilitet noterbart av ytornas kemiska karaktär, medan HDF-cellernas viabilitet påverkades ej. För de erhållna ytnanostrukturerna verkade HDF-cellerna gynnas av både dominerande topp- och dalstrukturer med högre amplitud. Dominerande dalar med ökande avstånd mellan ytstrukturer verkade däremot främst gynna HeLa-cellerna.
Dessa ytor tillämpades i en förmånlig och anpassningsbar planär pappersbaserad diagnostikplattform. Plattformens processerbarhet demonstrerades genom att använda den i en materialstudie och en läkemedelsutvärderingsstudie. I bägge applicerades material och läkemedel i plattformen med metoder som lämpar sig för storskalig produktion. Analys skedde kolorimetriskt med en kontorsscanner och skräddarsydd mjukvara. När resultaten jämfördes med parallellstudier från en kommersiell plastbrunnsplatta som analyserats med konventionella, avancerade plattläsare visade sig resultaten ha jämförbar tillförlitlighet.
Detta arbete visar att ett omfattande urval ytparametrar kan användas för att frikoppla olika ytegenskapers påverkan på celler. Ytterligare visas att redan topografiska skillnader på nanoskala kan driva signifikanta variationer i olika bioresponser. Dessa ytor kan användas för mycket processerbara diagnostikplattformer, som trots enkla metoder kan ge tillförlitliga resultat. Resultaten från dessa studier kan utnyttjas för att utveckla nya material för biotillämpningar, t.ex. biomedicinska ytor där bakterie- och cellinteraktioner med eller via materialet måste kontrolleras.
Kokoelmat
- 116 Kemia [51]