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Antifouling-Modifizierung von Silikon Katheteroberflächen mit maßgeschneiderten Copolymeren

Vaterrodt, Anne

Für viele biomedizinische Anwendungen wie beispielsweise Prothesen, Implantate, Kontaktlinsen oder Katheter impliziert Fouling auf Oberflächen eine große Gefahr einer Infektion, was häufig zu Komplikationen der Behandlung in den Krankenhäusern führt. Zu den häufigsten nosokomialen Infektionen gehören die mit Kathetern assoziierten Harnwegsinfektionen. Ziel dieser Arbeit war die Funktionalisierung von Silikon-Kathetermaterial mit maßgeschneiderten Copolymeren, um der Katheteroberfläche antibiofouling Eigenschaften zu verleihen. In erster Linie sollte die unspezifische Adhäsion von organischen Verbindungen und Mikroorganismen durch eine elektrostatisch induzierte Hydratations-Schicht basierend auf zwitterionischen Sulfobetain-Polymeren verhindert werden. Zusätzlich sollte die Hydratations-Schicht mit der antimikrobiellen Wirkung des Enzymes Cellobiose Dehydrogenase und der kontaktbioziden Wirkung von quarternären Ammoniumverbindungen kombiniert werden. Die Funktionalisierung erfolgt zum einen über den direkten Beschichtungsansatz des Adsorption/Entrapment-Verfahrens. Hierzu wurde zunächst ein amphiphiles Diblock-Copolymer synthetisiert; bestehend aus einem hydrophoben Ankerblock, der kompatibel mit dem Silikon-Material ist, und einem funktionellen Block, dem zwitterionischen Sulfobetain. Mit Hilfe der Atom Transfer Radikalpolymerisation (ATRP) wurde an einen Makroinitiator aus Polydimethylsiloxan (PDMS) das Poly(2(Dimethylamino)ethylmethacrylat) (PDMAEMA) gekoppelt und mit Hilfe von 1,3Propansulton zum Sulfobetain umgewandelt. Durch diese Synthese konnten maßgeschneiderte Block-Copolymere PDMS-b-PSPE mit molaren Massen von 7 kDa bis 12 kDa und mit einem Massengehalt an 82 % bis 90 % des Zwitterionenblocks hergestellt werden. Mit Hilfe der Funktionalisierung via Adsorption/Entrapment-Prozess konnte eine stabile hydrophile Oberflächenbeschichtung erreicht werden. Jedoch konnte keine vollständige Benetzung des PDMS mit Wasser erreicht werden, wie die Beobachtung der Zeta-Potential-Messung und des Kristallviolett-Tests zur Messung der Biofilm-Bildungen nahlegten. Dennoch konnte durch die Messung der spezifischen Proteinadsorptionen eine deutliche Reduzierung der Adhärenz des Proteins BSA festgestellt werden. Hierbei zeigte sich eine Abhängigkeit von der Kettenlänge des funktionellen Anteils, sodass mit dem größten zwitterionischen Anteil bis zu 90 % weniger BSA-Adsorption im Vergleich zur Referenzprobe erreicht werden konnte. Zum anderen erfolgte die Funktionalisierung des PDMS-Kathetermaterials via Layer-by-Layer-Technik. Hierzu wurde im ersten Schritt ein Polykation entworfen, welches zum einen als Polymerbaustein für das Layer-by-Layer-Verfahren dient und zum anderen antibiofouling Eigenschaften durch Zwitterionen und hydrophobe Alkylammonium-Seitenketten aufweist. Mit Hilfe der ATRP konnte erfolgreich ein reproduzierbares Polymer PDMAEMA synthetisiert werden, mit welchem durch unterschiedliche Quarternierungsreagenzien gut einstellbare Copolymere hergestellt werden konnten. Hierzu wurden vier unterschiedliche Copolymere synthetisiert, welche in dem zwitterionischen Anteil von 0 %, 25 % und 50 % variieren. Durch das Kombinieren des Polymers mit 25 % Zwitterion mit 25 % Oktyl-Gruppen wurde eine zusätzliche kontaktbiozide Komponente erfolgreich in das Polykation eingebracht. Mit dem stark geladenen Polyanion Poly(styrolsulfonat) (PSS) und den neu synthetisierten Polykationen lassen sich gut definierte Mehrschichtensysteme via Layer-by-Layer-Technik sowohl auf dem Modellsystem SiWafer als auch auf dem Kathetermaterial PDMS herstellen. Zusätzlich diente das Mehrschichtensystem als Reservoir für das Enzym Cellobiose Dehydrogenase, welches aufgrund seiner speziellen Reaktion mit Biofilm-Polysacchariden antimikrobielles Wasserstoffperoxid erzeugt. Trotz der unterschiedlichen Ladungsdichten des Polykations und der Verwendung von dem Enzym als Polyanion konnte die Substratoberfläche vollständig bedeckt werden und zeigte eine Stabilität von mindestens 10 Tagen in Wasser und synthetischem Urin. Durch die Erhöhung des zwitterionischen Anteils wurden neutralere und hydrophilere Oberflächen erreicht. Jedoch weist die Verwendung des Polykations mit einem zwitterionischen Anteil von 50 % aufgrund der geringen Ladungsdichte ein gedämpftes Schichten-Wachstum in der Ellipsometrie und fehlende Systematik während der Auftragung im Kontaktwinkel auf. Ebenfalls hat die Ladungsdichte Auswirkung auf den Trocknungsvorgang. Aufgrund der schwächeren Wechselwirkungen zwischen den Schichten kam es zu vermehrter Segregation innerhalb des Schichtsystems, was eine Erhöhung der Oberflächenrauheit zur Folge hatte. Trotz der Einbettung des Enzyms in das Schichtsystem konnte es seine Aktivität beibehalten. Jedoch konnte hierbei gezeigt werden, dass die Position des Enzymes in dem Schichtsystem eine wichtige Rolle spielt, da jede weitere Schicht die Diffusion des Substrates erschwert. Eine zusätzliche antibakterielle Wirkung konnte durch die Einführung von langen hydrophoben Seitenketten in die letzte Schicht erzielt werden. Basierend auf den mikrobiologischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass nicht nur die bakterielle Adhäsion im Vergleich zur Referenzprobe um 60 % reduziert werden konnte, sondern auch eine Tötung der adhärierten Bakterien auf der Oberfläche stattfand. Zusammenfassend konnten zwei einfach durchzuführende Methoden zur Neugestaltung von PDMS-Kathetermaterial etabliert werden. Die antifouling und antimikrobielle Beschichtung des Materials führt zu einer deutlichen Reduzierung der Biofilmbildung, wodurch das Risiko einer nosokomialen Infektion durch die Verwendung von Blasenkathetern verringert werden könnte.

For numerous biomedical materials such as prosthetic devices, implants, contact lenses and catheter, fouling on surfaces is a serious risk of infections. One of the most abundant complications in hospitals is caused by catheter-associated urinary tract infections. The aim of the thesis was to develop a strategy to achieve innovative coatings for silicone catheter using novel tailored copolymers. In this thesis primarily a low fouling surface was created using an electrostatically induced hydration layer based on zwitterionic sulfobetaine polymers. Furthermore the low fouling surface was combined with the enzyme Cellobiose dehydrogenase to achieve an antimicrobial effect and with quaternary ammonium compounds to achieve a contact biocide effect. One functionalization strategy is to integrate copolymers into the catheter surface with help of the adsorption/entrapment mechanism. For this a well-defined amphiphilic diblock copolymer was synthesized; consisting of a hydrophobic anchor block, which is compatible with the silicone material, and a functional block of zwitterionic sulfobetaine. Therefore a macroinitiator of polydimethylsiloxane (PDMS) was reacted with 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) by atom transfer radical polymerization (ATRP). The resulting precursor polymers were converted into sulfobetaines by a reaction with 1,3propanesultone, to yield PDMS-block-PDMAEMA with molar masses of 7 kDa to copolymers with molar masses of 12 kDa and with a mass content of 82% to 90% of zwitterion blocks. With these block copolymers the silicone catheter material was successfully modified via the non-covalent adsorption/entrapment mechanisms, it became significantly more hydrophilic and remained unchanged for longer than 10 days. The observation of the zeta-potential measurement and the crystal violet test for measuring the biofilm formation indicated no complete wetting of the silicone material by water. Nevertheless, in comparison to the reference sample a significant reduction was detected in the adherence of the protein BSA. There was a dependency of the chain length of the functional component; the modification with the largest polymer achieved up to 90 % less BSA adsorption in comparison to the reference sample. Another functionalization strategy was done via a layer-by-layer technique. Hence a novel polycation was designed which served as a polymer component for the layer-by-layer technique and provided at the same time antibiofouling zwitterions and antimicrobial hydrophobic side chains. First poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA) was synthesized by atomic transfer radical polymerization (ATRP) to obtain an adjustable molecular weight and a low polydispersity. Throughout the process two different quaternizing reagents yielded four different copolymers which varied in the zwitterionic fraction between 0 %, 25 % and 50 %. Alternatively the polycation with 25 % zwitterionic fragment was successfully combined with a contact biocidal component of 25 % octyl-ammonium side chains. With the strongly charged polyanion poly(styrenesulfonate) (PSS) and the novel synthesized polycations it is possible to prepare well-defined multilayer systems via layer-by-layer technique on the model system Si-wafer as well as on the catheter materials. Furthermore the multilayer systems were successfully used as reservoir for the enzyme Cellobiose dehydrogenase (CDH) which produces antimicrobial hydrogen peroxide by the reaction with biofilm polysaccharides. The observation of absence of systematic changes in the contact angle and the attenuated growth in ellipsometry when using the polycation with 50% zwitterions indicated deviations from strictly regular growth due to reduced charge density. However, the combination of all data provides strong evidence that with up to 50% zwitterion fraction in the polycation the critical charge density limit which is needed to obtain significant layer growth has not yet been reached. All surfaces remained stable for up to 10 days in water and in synthetic urine. By increasing the zwitterionic fraction, surfaces became more neutral and hydrophilic. The charge density had a pronounced effect on the drying process as well. Lower charge density caused less interaction between the layers in the multilayer system, which resulted in more segregation within the layer system during the drying process, especially by simple air drying. This resulting roughness of the surface can be reduced by freeze drying. This multilayer system was also successfully used as reservoir for enzyme immobilization. CDH which is able to produce H2O2 in the presence of polysaccharides was effectively embedded in the multilayer system and could preserve its enzyme activity. For that it was shown that the layer architecture, i.e. the location of the enzyme in the layer, has an influence on the activity of enzymes; this could be linked to substrate diffusion hindrance. The CDH functionalized catheter material exhibited more antimicrobial activity after freeze drying. An additional antibacterial effect could be obtained by introducing QAC groups. Based on the biological results presented that the multilayer films can not only reduce the bacterial adhesion down to 40% relative to uncoated PDMS but also kill the bacteria adhered onto the surface. In summary, two easy to perform modifications for rearrangement of silicone catheter material were established. The antifouling and antimicrobial coating of the material leads to a significant decrease of biofilm formation. In this way the risk of a nosocomial infection through the application of urinary catheters could be reduced.

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Vaterrodt, Anne: Antifouling-Modifizierung von Silikon Katheteroberflächen mit maßgeschneiderten Copolymeren. 2016.

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