WO2015028503A1 - Verfahren zur verbesserung der biokompatibilität einer oberfläche - Google Patents

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radicals
reactive
biocompatibility
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Andreas Bollmann
Klaus LÜCKE
Fritz Scholz
Katja VAHL
Robert SMAIL
Ulrich Hasse
Heike Kahlert
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Gilupi Gmbh
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    • A61L2400/18—Modification of implant surfaces in order to improve biocompatibility, cell growth, fixation of biomolecules, e.g. plasma treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for improving the biocompatibility of a surface, in particular a solid surface.
  • the invention further relates to a device, for example an implant, a sensor or a cell culture vessel, which is brought into contact with biological systems, with a biocompatible surface.
  • a device for example an implant, a sensor or a cell culture vessel, which is brought into contact with biological systems, with a biocompatible surface.
  • Materials that come into contact with biological systems must have high biocompatibility, i. (I) the materials must not have any deleterious effect on the biological system; and (ii) the biological environment must not undergo changes in material, e.g. Cause corrosion, biodegradation, etc.
  • Surfaces can be chemically modified by direct reactions with specific reagents, by covalent attachment of molecules to the surface, by plasma-based techniques, such as. Plasma assisted etching, deposition or polymerization, and plasma immersion ion implantation (P.K. Chu, J.Y. Chen, L.P. Wang, N. Huang, Mater, Sci. Eng., R 36 (2002) 143-206).
  • titanium surfaces can be treated with acids or alkalis.
  • the chemical modifications also include sol-gel coatings, anodic oxidation, chemical vapor deposition, and biochemical modifications.
  • titanium surfaces can be modified by thermal spraying (eg, flame spraying or plasma spraying), by physical vapor deposition, or by ion implantation and deposition.
  • Electrochemically the biocompatibility of titanium surfaces with the help of anodic oxidation and increased by electrophoretic or cathodic deposition of hydroxyapatite (K.-H. Kim, N. Ramaswamy, Dent. Mater. J. 28 (2009) 20-36).
  • the properties of surfaces can be changed to increase biocompatibility in various respects.
  • the present invention has for its object to provide a method for the treatment of surfaces, which allows to improve the biocompatibility of the surface, in particular to cell cultures and tissues, in a simple manner, and that for a variety of different surfaces, in particular solid surfaces, can be used ,
  • the above object is achieved according to the invention by treating the surface with at least one species of reactive radical.
  • the device mentioned at the beginning solves this problem by treating its biocompatible surface with a method of the present invention.
  • a surface treatment with at least one species of reactive radicals detoxifies the surface and thus improves the biocompatibility of the surface.
  • the surface is detoxified by the reactive radicals, which increases their biocompatibility with biological systems without, for example, applying additional layers to the surface.
  • radicals can be generated in very different ways and thus the method can be adapted to a wide variety of material requirements. If the biocompatibility of, for example, heat-sensitive surfaces is to be improved, the radicals can be produced at room temperature, for example by the Fenton reaction. If the surface is to be treated as free of chemicals as possible, eg photolysis or radiolysis can be used to generate radicals.
  • a "reactive radical” is an atom or molecule with at least one unpaired electron that is reactive, and reactive radicals usually react very quickly, often in less than a second.
  • At least one species of reactive radical includes both versions where the surface is treated with only one type of radical (radical atom, radical ion, radical molecule, or radial molecular ion) as well as those in which different types of radicals come into contact with the surface.
  • an "improvement in biocompatibility" in the context of the present invention is manifested by a detoxification of the surface, ie the surface treated according to the invention is less cytotoxic, that is less damaging to the cell and / or tissue, compared to an untreated surface which is not reactive with free radicals
  • the improved biocompatibility can be determined by a cytotoxicity test in which the untreated surface and once the reactive radical treated surface is contacted with a cell culture and then the cell vitality in the solution is determined the cell vitality can be increased by at least 10%, preferably by at least 25%, and more preferably by 50-100%.
  • the reactive radicals can deactivate active sites that cause biological reactions and have cell and / or tissue damage to the surface.
  • the cytotoxic reactions triggering active sites on the surface are specifically and specifically deactivated by the treatment with reactive radicals. This is surprising and unexpected because one would expect that reactive radicals on surfaces trigger chemical reactions that generate active sites and thereby act as cytotoxic agents.
  • An active site that causes cytotoxic reactions is an atom or substance on the cell surface that is cell and / or tissue damaging.
  • reactive radicals these active sites can be specifically and specifically deactivated, for example, by converting them into non-cytotoxic substances or by leaching them out of the cell surface, for example by reactive cleavage.
  • the reactive radicals may comprise at least one species of oxygen radicals, nitrogen radicals, carbon radicals, sulfur radicals, and / or a species of halogen radicals.
  • the reactive oxygen radicals include all radicals in which the at least one unpaired electron is attached to an oxygen radical. substance atom sits.
  • oxygen radicals are hyperoxide anions, hydroxyl radicals, hydroperoxyl radicals, peroxyl radicals or alkoxyl radicals.
  • nitrogen radicals are nitrogen monoxide and nitrogen.
  • Carbon radicals include, for example, triplet carbene and alkyl radicals
  • sulfur radicals include, for example, thiyl radicals.
  • Halogenated radicals include, among others, chlorine radicals and bromine radicals.
  • reactive radicals can be generated by cleavage of a radical initiator.
  • a radical starter is a molecule that can be converted into at least one reactive radical.
  • the chlorine-chlorine bond in molecular chlorine (Cl 2 ) or the bromine-bromine bond in molecular bromine (Br 2 ) can be cleaved by exposure to light and the molecular radical initiators are thereby converted into reactive radicals.
  • the surface may be contacted with the radical initiator, which is typically stable as opposed to reactive radicals, and the radical initiator subsequently converted to the reactive radical in situ. This ensures that the entire surface is treated evenly.
  • the free radical initiator can be converted into the reactive radical by photolysis, radiolysis, thermolysis, by plasma, and / or by a chemical, for example electrochemical, and / or a biochemical, for example an enzymatic reaction. Radical production can thus be adapted in different ways and to the properties of the surface to be treated, for example non-thermally by light, for example UV radiation, or the use of X-ray and other ionizing radiation.
  • a chemical reaction for example in the form of a chemical or electrochemical Fenton reaction, in which hydrogen peroxide is removed by reaction with Fe (II) ions or with other transition metal ions, e.g. Cu (II), Ti (III), Cr (II) or Co (II) is decomposed in an acidic medium to form the highly reactive hydroxyl radical is also possible at room temperature.
  • the reactive radical may be a hydroxyl radical.
  • Hydroxyl radicals can easily from biologically harmless substances, eg. As water, are generated. Hydroxyl radicals can be formed in particular: a) in a Fenton reaction; b) by photolysis of a peroxide; c) by radiolysis of water or other oxygenate radiolysable to hydroxyl radicals; or d) by a plasma reaction of an oxygen compound which can be converted by means of plasma treatment into hydroxyl radicals, preferably water or a peroxide.
  • the surface whose biocompatibility is improved by means of the method according to the invention can comprise, for example, a noble metal, a noble metal compound or a polymer, or a polymer.
  • Precious metals, such as gold, are often used as electrodes in biosensors and as implant material.
  • Implants and cell culture vessels are often made of polymers which, although in a biological environment do not cause any material change, such as corrosion, but which have cell and / or tissue damage to biological systems, thus can be improved by the method according to the invention in their biocompatibility.
  • the surface may belong to an implant, a sensor or a cell culture vessel.
  • the implant, the sensor or the culture vessel can first be prepared and then treated according to the invention.
  • the method of the invention is universal, i. can be used for every kind of surface and every surface type, because for a given surface type or a given surface type with particularly suitable reactive radicals can be provided by different methods adapted to the material requirements.
  • Also contemplated in accordance with the present invention is a device that is contacted with biological systems, such as an implant, a sensor, or a cell culture vessel having a biocompatible surface treated according to any of the above methods.
  • the device is characterized by a surface with improved biocompatibility, which is easily demonstrated by comparison of a surface before treatment with reactive radicals and a surface treated with reactive radicals, the latter has a significantly higher cell vitality, if with a Cell culture is brought into contact.
  • Another feature of the device according to the invention is that the active sites that trigger biological reactions and cell and / or tissue damage, deliberately deactivated, ie converted into biologically inactive molecules or, z. B. in the case of biologically active gold ions, detached from the surface.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention for improving the biocompatibility of a surface according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a method for improving the biocompatibility of a surface according to a second embodiment
  • the surface 1 is brought into contact with reactive radicals 2.
  • the radical may have a number of n unpaired electrons (represented by a ⁇ ). If the radical contains two unpaired electrons, one speaks of a diradical, with three unpaired electrons of a triradical, etc.
  • the surface 1 may be the surface of a device 3, for example an implant, a sensor or a cell culture vessel, whose biocompatibility is to be improved.
  • the reactive radicals 2 cause active sites 4, which cause biological reactions and have cell and / or tissue damage, to be deactivated from the surface 1.
  • the active center 4 is schematically indicated in the figures as a circle with a star located therein, wherein the star symbolizes the cytotoxic effect, ie the cell or tissue damaging property of the active center 4.
  • the reactive radical 2 deactivates the active center 4 of the surface 1.
  • the deactivation can be done, for example, by the active center 4 being split off from the surface and being dissolved out at the surface, as shown on the right side of FIG. 1 above.
  • the deactivation may also be such that the active center 4 is converted by the reactive radical 2 so that it no longer has a cell- or tissue-damaging effect, which is symbolized in FIG. 1, bottom right, by the star indicating the cytotoxic effect no longer exists.
  • reactive radicals 2 are generated by cleaving a radical initiator 5.
  • the radical starter 5 is stable, ie less reactive and more durable.
  • the radical starter 5 is first brought into contact with the surface 1 of the device 3. Subsequently, the radical starter 5 is reacted in situ, ie in place in the reactive radical 2. To implement the radical starter 5 is converted by a cleavage agent 6 in the reactive radical 2.
  • the cleavage agent 6 may be both a chemical substance or an enzyme, as well as radiation such as UV, X-ray or ionizing radiation, as well as the change of a parameter, for example the temperature or the pressure, which the cleavage of the radical initiator 5 in the reactive Radical 2 causes.
  • a cleavage agent 6 and thus a conversion method of the radical initiator 5 can be selected which does not modify the properties of the surface 1, with the exception of biocompatibility, which is improved according to the invention.
  • a photolysis light irradiation
  • radiolysis ionizing radiation
  • the process according to the invention of the second embodiment proceeds analogously to the process shown in FIG. 1, by reactive radicals 2 rendering the biocompatibility of the surface 1 improved by active centers 4 of the surface 1 are specifically deactivated.
  • the cell vitality of electrodeposited gold layers on stainless steel wires was investigated after gamma sterilization. Untreated and oxygen radical-treated gold layers were subjected to a cytotoxicity test with human adult skin fibroblasts (NHDF cells). For this eluates were prepared from the wires and their influence on the cell vitality of the NHDF cells was examined by means of a colorimetric assay (TTC assay) (for detailed description see: N. Saucedo-Zeni et al., Int. J. Oncol. 41 (2012 ) 1241-1250).
  • the radicals were generated using Fenton solutions and UV photolysis of hydrogen peroxide.
  • the total treatment time was 120 minutes, replacing the "old" Fenton solution with a fresh Fenton solution every 5 minutes.
  • Both the mechanically polished and the Fenton-treated gold sheets were AFM images taken (see Fig. 4a and 4c) and determines the surface roughness factors (see Table 1).
  • the AFM measurements were made using a "NanoScope I” (Digital Instruments, USA) in contact mode.
  • the gold sheets were implanted in the peritoneal cavity of mice (one gold sheet per mouse). After 14 days, the gold sheets were removed from the mice and AFM images of the gold surfaces were taken again (see FIGS. 4b and 4d) and the roughness factors determined (see Table 1).
  • the AFM images and roughness factors make it clear that the gold surfaces treated only by mechanical polishing are smoothed in the peritoneal cavity of the mice, ie biologically active, ie cell-damaging, gold is detached from the implants.
  • the mechanically polished and subsequently radical-treated gold surfaces show no change in the roughness of the surface because the active sites are deactivated when reactive radicals are treated. Therefore, no gold was detached from the gold surfaces in the peritoneal cavity. This proves that implants have a higher biocompatibility through pre-treatment with radicals (not to be attacked).
  • Table 1 Roughness factors of differently treated gold surfaces
  • Device for example, implant, sensor or cell culture vessel

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Biokompatibilität einer Oberfläche (1), insbesondere einer Festkörperoberfläche, sowie eine Vorrichtung (3), beispielsweise ein Implantat, Sensor oder Zellkulturgefäß, die mit biologischen Systemen in Kontakt gebracht wird mit einer biokompatiblen Oberfläche. Um die Biokompatibilität von Oberflächen, insbesondere gegenüber Zellkulturen und Geweben auf einfache Weise und für eine Vielzahl verschiedener Oberflächen zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Oberfläche (1) mit reaktiven Radikalen (2) in Kontakt zu bringen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (3) weist eine biokompatible Oberfläche (1) auf, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde.

Description

Verfahren zur Verbesserung der Biokompatibilität einer Oberfläche
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Biokompatibilität einer Oberfläche, insbesondere einer Festkörperoberfläche.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, beispielsweise ein Implantat, einen Sensor oder ein Zellkulturgefäß, die mit biologischen Systemen in Kontakt gebracht wird, mit einer biokompatiblen Oberfläche.
Materialien, die mit biologischen Systemen in Kontakt kommen, müssen eine hohe Biokompatibilität aufweisen, d.h. (I) die Materialien dürfen keine schädigende Wirkung auf das biologische System haben und (II) die biologische Umgebung darf keine Materialveränderungen, wie z.B. Korrosion, Biodegradation, usw. verursachen.
Um die Biokompatibilität von Materialien zu erhöhen, gibt es verschiedenste mechanische, chemische und physikalische Methoden zur Modifizierung von Oberflächen. Durch mechanische Modifizierung (z.B. durch Polieren oder Schleifen) sollen bestimmte Oberflächentopographien oder -rauhigkeiten erhalten werden, Verunreinigungen der Oberfläche entfernt werden sowie die Adhäsionseigenschaften für nachfolgende Anbindungen von Molekülen verbessert werden (I. Milinkovic, R. Rudolf, KT. Raic, Z. Aleksic, V. Lazic, A. Todorovic, D. Stamenkovic, Materiali in tehnologije / Materials and Technology 46 (2012) 251-256).
Oberflächen können chemisch modifiziert werden durch direkte Reaktionen mit spezifischen Reagenzien, durch kovalente Anbindung von Molekülen an der Oberfläche, durch plasmabasierte Techniken, wie z. B. Plasma-unterstütztes Ätzen, Abscheiden oder Polymerisieren sowie Plasma-Immersions-Ionenimplantation (P.K. Chu, J.Y. Chen, L.P. Wang, N. Huang, Mater. Sei. Eng., R 36 (2002) 143-206).
Liu, Chu und Ding geben einen Überblick über verschiedene Möglichkeiten der Oberflächenmodifizierung von Titan und Titanlegierungen für biomedizinische Anwendungen (X. Liu, P.K. Chu, C. Ding, Mater. Sei. Eng., R 47 (2004) 49-121 ). Chemisch können Titanoberflächen mit Säuren oder Laugen behandelt werden. Zu den chemischen Modifizierungen gehören außerdem Sol-Gel-Beschichtungen, anodische Oxidationen, chemische Gasphasenabscheidungen sowie biochemische Modifizierungen. Auf physikalischem Wege können Titanoberflächen durch thermisches Spritzen (z.B. Flammenspritzen oder Plasmaspritzen), durch physikalische Gas- phasenabscheidung oder durch Ionenimplantation und -abscheidung modifiziert werden. Elektrochemisch kann die Biokompatibilität von Titanoberflächen mit Hilfe der anodischen Oxidation und durch elektrophoretische oder kathodische Abscheidung von Hydroxylapatit erhöht werden (K.-H. Kim, N. Ramaswamy, Dent. Mater. J. 28 (2009) 20-36).
Zur Modifizierung von Polymeroberflächen werden ferner verschiedene physikalische und chemische Methoden beschrieben (F. Abbasi, H. Mirzadeh, A.-A. Katbab, Polym. Int. 50 (2001 ) 1279-1287). Die üblichsten physikalischen Methoden zur Oberflächenmodifizierung von Silikonpolymeren sind Plasma- und Laserbehandlungen sowie Koronaentladungen. Chemisch können die Oberflächen von Silikonpolymeren durch Ätzen, Oxidation, Hydrolyse, Funktionali- sierung sowie„surface grafting" modifiziert werden.
Bei allen genannten Methoden können die Eigenschaften von Oberflächen verändert werden, um die Biokompatibilität in verschiedener Hinsicht zu erhöhen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächen bereitzustellen, das es erlaubt, die Biokompatibilität der Oberfläche, insbesondere gegenüber Zellkulturen und Geweben, auf einfache Weise zu verbessern, und das für eine Vielzahl verschiedener Oberflächen, insbesondere Festkörperoberflächen, einsetzbar ist.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche mit wenigstens einer Spezies von reaktiven Radikalen behandelt wird. Die eingangs genannte Vorrichtung löst diese Aufgabe dadurch, dass deren biokompatible Oberfläche mit einem Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelt wurde.
Gemäß der Erfindung hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine Oberflächenbehandlung mit wenigstens einer Spezies reaktiver Radikale die Oberfläche detoxifiziert und auf diese Weise die Biokompatibilität der Oberfläche verbessert. Im Gegensatz zu den bestehenden Methoden wird die Oberfläche durch die reaktiven Radikale detoxifiziert, was deren Biokompatibilität gegenüber biologischen Systemen erhöht, ohne beispielsweise zusätzliche Schichten auf die Oberfläche aufzubringen.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Radikale auf ganz unterschiedlichen Wegen generiert werden können und die Methode somit an verschiedenste Materialanforderungen angepasst werden kann. Soll die Biokompatibilität von z.B. hitzeempfindlichen Oberflächen verbessert werden, können die Radikale bei Raumtemperatur beispielsweise durch die Fenton-Reaktion produziert werden. Soll die Oberfläche möglichst chemikalienfrei behandelt werden, können z.B. Photolyse oder Radiolyse zur Radikalerzeugung genutzt werden. Ein„reaktives Radikal" ist ein Atom oder Molekül mit mindestens einem ungepaarten Elektron, das reaktiv ist. Reaktive Radikale reagieren in der Regel sehr schnell, häufig innerhalb von weniger als einer Sekunde.„Wenigstens eine Spezies von reaktiven Radikalen" umfasst sowohl Ausführungen, bei denen die Oberfläche nur mit einer einzigen Art von Radikalen (Radikalat< me, Radikalionen, Radikalmoleküle oder Radialmolekülionen) behandelt wird, als auch solche, bei denen verschiedene Typen von Radikalen mit der Oberfläche in Kontakt kommen. Eine „Verbesserung der Biokompatibilität" im Sinne der vorliegenden Erfindung zeigt sich durch eine Detoxifizierung der Oberfläche, d.h. die erfindungsgemäß behandelte Oberfläche ist weniger zytotoxisch, also weniger zell- und/oder gewebeschädigend, im Vergleich zu einer unbehandelten Oberfläche, die nicht mit reaktiven Radikalen in Kontakt gebracht wurde. Die verbesserte Biokompatibilität kann durch einen Zytotoxizitätstest bestimmt werden, bei dem die unbehandelte Oberfläche und einmal die mit reaktiven Radikalen behandelte Oberfläche mit einer Zellkultur in Kontakt gebracht wird, und anschließend die Zellvitalität in der Lösung ermittelt wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Zellvitalität um mindestens 10%, vorzugsweise um mindestens 25% und besonders bevorzugt um 50-100% gesteigert werden.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens können die reaktiven Radikale aktive Zentren, die biologische Reaktionen auslösen und zell- und/oder gewebeschädigend wirken, der Oberfläche desaktivieren. Somit werden die zytotoxische Reaktionen auslösenden aktiven Zentren auf der Oberfläche gezielt und spezifisch durch die Behandlung mit reaktiven Radikalen desak- tiviert. Dies ist insofern überraschend und unerwartet, weil man erwarten sollte, dass reaktive Radikale auf Oberflächen chemische Reaktionen auslösen, die aktive Zentren generieren und dadurch zytotoxisch wirken. Ein zytotoxische Reaktionen auslösendes aktives Zentrum ist ein Atom oder eine Substanz auf der Zelloberfläche, die zell- und/oder gewebeschädigend wirkt. Mittels reaktiver Radikale können diese aktiven Zentren zielgerichtet und spezifisch desaktiviert werden, beispielsweise indem sie in nicht zytotoxische Substanzen umgewandelt, oder aus der Zelloberfläche herausgelöst werden, beispielsweise durch reaktive Spaltung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die reaktiven Radikale wenigstens eine Spezies von Sauerstoffradikalen, Stickstoffradikalen, Kohlenstoffradikalen, Schwefelradikalen und/oder eine Spezies von Halogen-Radikalen umfassen. Zu den reaktiven Sauerstoffradikalen gehören alle Radikale, bei denen das wenigstens eine ungepaarte Elektron an einem Sauer- stoffatom sitzt. Beispiele von Sauerstoffradikalen sind Hyperoxidanionen, Hydroxylradikale, Hydroperoxylradikale, Peroxylradikale oder Alkoxylradikale. Beispiele für Stickstoffradikale sind Stickstoffmonoxid und Tristickstoff. Kohlenstoffradikale umfassen beispielsweise Triplet-Carben und Alkylradikale, und zu Schwefelradikalen gehören beispielsweise Thiylradikale. Halogene Radikale umfassen unter anderem Chlorradikale und Bromradikale.
Gemäß einer weiteren Ausführung können reaktive Radikale durch Spalten eines Radikalstarters erzeugt werden. Bei einem Radikalstarter handelt es sich um ein Molekül, das in wenigstens ein reaktives Radikal umgesetzt werden kann. Beispielsweise lässt sich die Chlor-Chlor- Bindung bei molekularem Chlor (Cl2) oder die Brom-Brom-Bindung beim molekularen Brom (Br2) durch Lichteinwirkung spalten und die molekularen Radikalstarter werden dabei in reaktive Radikale umgewandelt.
Gemäß einer Ausführung kann die Oberfläche mit dem Radikalstarter, der in der Regel im Unterschied zu reaktiven Radikalen stabil ist, in Kontakt gebracht werden, und der Radikalstarter anschließend in situ in das reaktive Radikal umgewandelt werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die komplette Oberfläche gleichmäßig behandelt wird.
Der Radikalstarter kann durch Photolyse, Radiolyse, Thermolyse, mittels Plasma, und/oder durch eine chemische, beispielsweise elektrochemische, und/oder eine biochemische, beispielsweise eine enzymatische Reaktion in das reaktive Radikal umgesetzt werden. Die Radikalerzeugung kann somit auf unterschiedlichen Wegen und an die Eigenschaften der zu behandelnden Oberfläche angepasst erfolgen, beispielsweise nichtthermisch durch Licht, beispielsweise UV-Strahlung, oder der Verwendung von Röntgen- und anderer ionisierender Strahlung. Eine chemische Umsetzung, beispielsweise in Form einer chemischen oder elektrochemischen Fenton-Reaktion, bei der Wasserstoffperoxid durch die Reaktion mit Fe(ll)-lonen oder auch mit anderen Übergangsmetallionen, wie z.B. Cu(ll), Ti(lll), Cr(ll) oder Co(ll) in einem sauren Medium unter Bildung des hochreaktiven Hydroxylradikals zersetzt wird, ist ebenfalls bei Raumtemperatur möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das reaktive Radikal ein Hydroxylradikal sein. Hydroxylradikale können auf einfache Weise aus biologisch unbedenklichen Stoffen, z. B. Wasser, erzeugt werden. Hydroxylradikale können insbesondere gebildet werden: a) in einer Fenton-Reaktion; b) durch Photolyse von einem Peroxid; c) durch Radiolyse von Wasser oder einer anderen zu Hydroxylradikalen radiolysierbaren Sauerstoffverbindung; oder d) durch eine Plasmareaktion von einer zu Hydroxylradikalen mittels Plasmabehandlung umsetzbaren Sauerstoffverbindung, vorzugsweise von Wasser oder einem Peroxid.
Die Oberfläche, deren Biokompatibilität mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert wird, kann beispielsweise ein Edelmetall, eine Edelmetallverbindung bzw. -legierung, oder ein Polymer aufweisen. Edelmetalle, beispielsweise Gold, werden häufig als Elektroden in Biosensoren und als Implantatmaterial eingesetzt. Implantate und Zellkulturgefäße sind oftmals aus Polymeren hergestellt, die zwar in biologischer Umgebung keine Materialveränderung, wie zum Beispiel Korrosion verursachen, die jedoch zell- und/oder gewebeschädigende Wirkung auf biologische Systeme haben, somit mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in ihrer Biokompatibilität verbessert werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Oberfläche zu einem Implantat, einem Sensor oder einem Zellkulturgefäß gehören. Ein Vorteil ist, dass das Implantat, der Sensor bzw. das Kulturgefäß zunächst hergestellt und anschließend erfindungsgemäß behandelt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist universell, d.h. für jede Oberflächenart und jeden Oberflächentyp einsetzbar, weil sich für eine vorgegebene Oberflächenart bzw. einen vorgegebenen Oberflächentyp mit besonders geeigneten reaktiven Radikalen durch unterschiedliche an die Materialanforderungen angepasste Verfahren bereitstellen lässt.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Vorrichtung, die mit biologischen Systemen in Kontakt gebracht wird, beispielsweise ein Implantat, ein Sensor oder ein Zellkulturgefäß, mit einer biokompatiblen Oberfläche vorgesehen, die gemäß einem der obigen Verfahren behandelt wurde. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Oberfläche mit verbesserter Biokompatibilität aus, was sich auf einfache Weise dadurch nachweisen lässt, dass beim Vergleich einer Oberfläche vor Behandlung mit reaktiven Radikalen und einer mit reaktiven Radikalen behandelten Oberfläche, letztere eine deutlich höhere Zellvitalität aufweist, wenn sie mit einer Zellkultur in Kontakt gebracht wird. Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die aktiven Zentren, die biologische Reaktionen auslösen und zell- und/oder gewebeschädigend wirken, gezielt desaktiviert, also in biologisch inaktive Moleküle umgesetzt oder, z. B. im Falle biologisch aktiver Goldionen, von der Oberfläche abgelöst sind. Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen und konkrete Versuche näher erläutert. Die bei den Ausführungsformen beispielhaft dargestellten Merkmalskombinationen können nach Maßgabe der obigen Ausführungen entsprechend der für einen bestimmten Anwendungsfall notwendigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens durch weitere Merkmale ergänzt werden. Auch können, ebenfalls nach Maßgabe der obigen Ausführungen, einzelne Merkmale bei den beschriebenen Ausführungsformen weggelassen werden, wenn es auf die Wirkung dieses Merkmals in einem konkreten Anwendungsfall nicht ankommt.
In den Zeichnungen werden für Elemente gleicher Funktion und/oder gleichen Aufbaus dieselben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung der Biokompatibilität einer Oberfläche gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Verbesserung der Biokompatibilität einer Oberfläche gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3: einen Graphen betreffend die Abhängigkeit der Zellvitalität von der aus einer Goldoberfläche abgelösten Goldmenge;
Fig. 4: AFM-Aufnahmen und Querschnittsanalysen von (a) einer mechanisch polierten Goldoberfläche vor Implantation, (b) einer mechanisch polierten Goldoberfläche nach Implantation, (c) einer "Fenton-polierten" Goldoberfläche vor Implantation und (d) einer "Fenton-polierten" Goldoberfläche nach Implantation in die Peritonealhöhle von Mäusen.
Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung der Biokompatibilität einer Oberfläche 1 , in der schematischen Darstellung der Fig. 1 eine Festkörperoberfläche, unter Bezugnahme auf die schematische Abbildung der Fig. 1 erläutert. Die Oberfläche 1 wird mit reaktiven Radikalen 2 in Kontakt gebracht. Das Radikal kann eine Anzahl von n ungepaarten Elektronen (dargestellt durch einen ·) aufweisen. Enthält das Radikal zwei ungepaarte Elektronen, spricht man von einem Diradikal, bei drei ungepaarten Elektronen von einem Triradikal usw. Die Oberfläche 1 kann die Oberfläche einer Vorrichtung 3, beispielsweise eines Implantats, eines Sensors oder eines Zellkulturgefäßes sein, deren Biokompatibilität zu verbessern ist.
Die reaktiven Radikale 2 bewirken, dass aktiven Zentren 4, die biologische Reaktionen auslösen und zell- und/oder gewebeschädigend wirken, der Oberfläche 1 desaktiviert werden. Das aktive Zentrum 4 ist in den Figuren schematisch als Kreis mit einem darin befindlichen Stern gekennzeichnet, wobei der Stern die zytotoxische Wirkung, also die zell- oder gewebeschädigende Eigenschaft des aktiven Zentrums 4 symbolisiert.
Wie auf der rechten Seite in Fig. 1 gezeigt ist, desaktiviert das reaktive Radikal 2 das aktive Zentrum 4 der Oberfläche 1 . Die Desaktivierung kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das aktive Zentrum 4 von der Oberfläche abgespalten und an dieser herausgelöst wird, wie auf der rechten Seite der Fig. 1 oben gezeigt ist. Die Desaktivierung kann auch derart sein, dass das aktive Zentrum 4 durch das reaktive Radikal 2 so umgewandelt wird, dass es keine zell- oder gewebeschädigende Wirkung mehr aufweist, was in Fig. 1 rechts unten dadurch symbolisiert ist, dass der die zytotoxische Wirkung indizierende Stern nicht mehr vorhanden ist.
In Fig. 2 ist schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 werden reaktive Radikale 2 durch Spalten eines Radikal Starters 5 erzeugt. Im Unterschied zu einem reaktiven Radikal 2 ist der Radikalstarter 5 stabil, also weniger reaktiv und langlebiger. Beim Verfahren der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird der Radikalstarter 5 zunächst mit der Oberfläche 1 der Vorrichtung 3 in Kontakt gebracht. Anschließend wird der Radikalstarter 5 in situ, also an Ort und Stelle in das reaktive Radikal 2 umgesetzt. Zur Umsetzung wird der Radikalstarter 5 durch ein Spaltagens 6 in das reaktive Radikal 2 umgewandelt.
Das Spaltagens 6 kann sowohl eine chemische Substanz oder ein Enzym, als auch Strahlung beispielsweise UV-, Röntgen- oder eine ionisierende Strahlung, sowie die Änderung eines Parameters, zum Beispiel der Temperatur oder des Drucks sein, welche die Spaltung des Radikalstarters 5 in das reaktive Radikal 2 bewirkt. Je nach Art und Beschaffenheit der Oberfläche 1 kann somit ein Spaltagens 6 und somit eine Umwandlungsmethode des Radikalstarters 5 ausgewählt werden, welche die Eigenschaften der Oberfläche 1 , mit der Ausnahme der Biokompatibilität, die erfindungsgemäß verbessert wird, nicht modifiziert. Beispielsweise kann mittels einer Photolyse (Lichteinstrahlung) oder Radiolyse (ionisierende Strahlung) die Biokompatibilität der Oberfläche 1 ohne eine Temperaturerhöhung verbessert werden. Dies ist insbesondere bei thermosensitiven Oberflächen vorteilhaft. Nachdem der Radikalstarter 5 in das reaktive Radikal 2 mittels des Spaltagens 6 umgewandelt wurde (rechte Seite der Fig. 2), läuft das erfindungsgemäße Verfahren der zweiten Ausführungsform analog dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren weiter, indem reaktive Radikale 2 die Biokompatibilität der Oberfläche 1 verbessert, indem aktive Zentren 4 der Oberfläche 1 gezielt desaktiviert werden.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lehre anhand von konkreten Versuchsergebnissen erläutert.
1. Senkung der Zytotoxizität von Goldschichten
Die Zellvitalität von galvanisch abgeschiedenen Goldschichten auf Edelstahldrähten wurde nach Gammasterilisation untersucht. Es wurden unbehandelte und mit Sauerstoffradikalen behandelte Goldschichten einem Zytotoxizitätstest mit humanen adulten Hautfibroblasten (NHDF- Zellen) unterzogen. Dazu wurden Eluate von den Drähten hergestellt und ihr Einfluss auf die Zellvitalität der NHDF-Zellen mithilfe eines kolorimetrischen Assays (TTC-Assay) untersucht (detaillierte Beschreibung siehe: N. Saucedo-Zeni et at., Int. J. Oncol. 41 (2012) 1241-1250).
Die Radikale wurden mit Hilfe von Fenton-Lösungen und durch UV-Photolyse von Wasserstoffperoxid generiert. Folgende Zusammensetzung der Fenton-Lösung wurde eingesetzt: c(NH4 )2Fe(so4 )2.6(H2o) = 0,01 ίποΐ · L1 , cNaiEDJA = 0,01 ίποΐ L 1 , cAcetatpuffer = 0,1 mol · L 1 und CH2O2 = 0,1 mol - L 1 . Die gesamte Behandlungszeit betrug 120 Minuten, wobei alle 5 Minuten die„alte" Fenton-Lösung durch eine frische Fenton-Lösung ersetzt wurde.
Zur Radikalgenerierung mittels UV-Photolyse von H202 wurde ein„705 UV Digester" (Metrohm, Schweiz) verwendet. Es hat sich gezeigt, dass eine 30-minütige Behandlung der Goldschicht bei Verwendung einer 0,3%-igen H202 -Lösung ausreicht, um die Goldschichten vollständig zu detoxifizieren.
Während die Zellvitalität bei unbehandelten Goldschichten lediglich zwischen 20 und 60% lag, betrug die Zellvitalität bei Goldschichten nach der obigen Behandlung mit reaktiven Sauerstoffradikalen praktisch 100%, d.h. die Goldschichten wurden durch die Radikalbehandlung vollständig detoxifiziert.
Weiterhin wurden die verwendeten Fenton-Lösungen mittels ICP-AES mit einem„ICP-Optical Emission Spectrometer Optima 2100 DV" (PerkinElmer, USA) auf ihren Goldgehalt untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Zellvitalität umso höher ist, je größer die abgelöste Goldmenge ist (siehe Fig. 3).
Es ist bekannt, dass sich aus Goldimplantaten herauslösende Goldionen biologische Aktivität besitzen (A. Larsen, K. Kolind, D.S. Pedersen, P. Doering, M.0. Pedersen, G. Danscher, M. Penkowa, M. Stoltenberg, Histochem. Cell. Biol. 130 (2008) 681 -692; G. Danscher, A. Larsen, Histochem. Cell. Biol. 133 (2010) 367-373). Im Falle der für die Zytotoxizitätstests verwendeten Organismen (humane dermale Fibroblasten) sind sie offensichtlich toxisch. Aus Fig. 3 ist somit ersichtlich, dass die abgelösten Goldatome aktive Zentren der Oberfläche sind, die biologische Reaktionen auslösen. Durch die Ablösung dieser aktiven Zentren wird die Oberfläche detoxifiziert.
2. Implantation von Goldblechen in die Peritonealhöhle von Mäusen
Zunächst wurden sechs Goldbleche (Größe: 15 mm 5 mm 0.05 mm) mechanisch mit Aluminiumoxidpulver poliert. Drei der mechanisch polierten Goldbleche wurden anschließend mit Sauerstoffradikalen, die mit Hilfe von Fenton-Lösungen generiert wurden, behandelt. Dazu wurden die Goldbleche in eine stets frisch hergestellt Lösung bestehend aus (NH4 )2Fe(S04 )2 - 6(H20) ( cFe2+ = 1 - 1 0 3 mol L 1 ; Merck), Na2EDTA - 2H2O
( cEDTA = 1 - 0 3 mol L"1 ; Merck) und Acetatpuffer ( cCH;jCOOH = ccH COO_ = 1 - 1 0 2 mol L"1 , pH =
4,7; Merck) getaucht Die Fenton-Reaktion wurde durch Zugabe von H2O2 (Merck) gestartet und die Goldbleche wurden dieser Lösung für 5 Minuten ausgesetzt. Diese Prozedur wurde 12-mal wiederholt, so dass die gesamte Behandlungszeit 120 Minuten betrug. In der Fenton-Lösung lagen cH O und cpe2+ stets im Verhältnis 10: 1 vor.
Sowohl von den mechanisch polierten als auch von den Fenton-behandelten Goldblechen wurden AFM-Bilder aufgenommen (siehe Fig. 4a und 4c) und die Rauigkeitsfaktoren der Oberflächen bestimmt (siehe Tabelle 1 ). Die AFM-Messungen wurden mithilfe eines „NanoScope I" (Digital Instruments, USA) im Kontakt-Modus durchgeführt.
Die Goldbleche wurden in die Peritonealhöhle von Mäusen implantiert (pro Maus ein Goldblech). Nach 14 Tagen wurden die Goldbleche den Mäusen entnommen und erneut AFM-Bilder der Goldoberflächen aufgenommen (siehe Fig. 4b und 4d) und die Rauigkeitsfaktoren bestimmt (siehe Tabelle 1 ). Anhand der AFM-Bilder und Rauigkeitsfaktoren wird deutlich, dass die lediglich durch mechanisches Polieren behandelten Goldoberflächen in der Peritonealhöhle der Mäuse geglättet werden, d.h. biologisch aktives, also zellschädigendes Gold wird von den Implantaten abgelöst. Die mechanisch polierten und anschließend mit Radikalen behandelten Goldoberflächen weisen dagegen keine veränderte Rauigkeit der Oberfläche auf, weil die aktiven Zentren bei der Behandlung der Oberfläche mit reaktiven Radikalen desaktiviert werden. Daher wurde in der Peritonealhöhle von den Goldoberflächen kein Gold abgelöst. Das beweist, dass Implantate durch Vorbehandlung mit Radikalen eine höhere Biokompatibilität aufweisen (nicht angegriffen werden). Tabelle 1 : Rauigkeitsfaktoren der verschieden behandelten Goldoberflächen
Rauigkeitsfaktor[nm]
Mechanisch Vor Implantation 14.7 ± 2.1
poliert Nachimplantation 10.2 ± 0.5
"Fenton- Vorimplantation 12.6 ± 1.0
poliert" Nachimplantation 13.4 ± 1.3
Bezugszeichen Oberfläche
reaktives Radikal
Vorrichtung (beispielsweise Implantat, Sensor oder Zellkulturgefäß) aktives Zentrum
Radikalstarter
Spaltagens

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Verbesserung der Biokompatibilität einer Oberfläche (1 ), insbesondere einer Festkörperoberfläche, wobei die Oberfläche (1 ) mit wenigstens einer Spezies von reaktiven Radikalen (2) in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die reaktiven Radikale (2) aktive Zentren (4), die biologische Reaktionen auslösen und zell- oder gewebeschädigend wirken, der Oberfläche (1 ) desaktivieren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die reaktiven Radikale (2) wenigstens ein Sauerstoffradikal, ein Stickstoffradikal, ein Kohlenstoffradikal, ein Schwefelradikal und/oder ein Halogenradikal umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die reaktiven Radikale (2) durch Spalten eines Radikal Starters (5) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Radikalstarter (5) mit der Oberfläche (1 ) in Kontakt gebracht und in situ in reaktive Radikale (2) umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Radikalstarter (5) durch Photolyse, Radio- lyse, Thermolyse, mittels Plasma, durch eine chemische und/oder biologische Reaktion in reaktive Radikale (2) umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das reaktive Radikal (2) ein Hydroxylradikal ist, das gebildet wird:
a. in einer Fenton-Reaktion;
b. durch Photolyse von einem Peroxid;
c. durch Radiolyse von Wasser oder einer anderen zu Hydroxylradikalen radiolysierbaren Sauerstoffverbindung; oder
d. durch eine Plasmareaktion von einer zu Hydroxylradikalen mittels Plasmabehandlung umsetzbaren Sauerstoffverbindung, vorzugsweise von Wasser oder einem Peroxid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Oberfläche (1 ) ein Edelmetall, eine Edelmetallverbindung oder -legierung, oder ein Polymer aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Oberfläche (1 ) zu einem Implantat, einem Sensor oder einem Zellkulturgefäß gehört.
0. Vorrichtung (3), beispielsweise ein Implantat, Sensor oder Zellkulturgefäß, die mit biologischen Systemen in Kontakt gebracht wird mit einer biokompatiblen Oberfläche (1 ), die gemäß dem Verfahren einer der Ansprüche 1 bis 9 behandelt wurde.
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