Solid electrolytes for electrochromic devices based on reversible metal electrodeposition

Air conditioning and lighting costs can be reduced substantially by changing the optical properties of "intelligent windows." The electrochromic devices studied to date have used copper as an additive. Copper, used here as an electrochromic material, was dissolved in an aqueous animal protein-derived gel electrolyte. This combination constitutes the electrochromic system for reversible electrodeposition. Cyclic voltammetry, chronoamperometric and chromogenic analyses indicated that were obtained good conditions of transparency (initial transmittance of 70%), optical reversibility, small potential window (2.1 V), variation of transmittance in visible light (63.6%) and near infrared (20%) spectral regions. Permanence in the darkened state was achieved by maintaining a lower pulse potential (-0.16 V) than the deposition potential (-1.0 V). Increasing the number of deposition and dissolution cycles favored the transmittance and photoelectrochemical reversibility of the device. The conductivity of the electrolyte (10(-3) S/cm) at several concentrations of CuCl2 was determined by electrochemical impedance spectroscopy. A thermogravimetric analysis confirmed the good thermal stability of the electrolyte, since the mass loss detected up to 100 degrees C corresponded to water evaporation and decomposition of the gel started only at 200 degrees C. Micrographic and small angle X-ray scattering analyses indicated the formation of a persistent deposit of copper particles on the ITO. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Circulating matrix metalloproteinases and their endogenous inhibitors in patients with erectile dysfunction

Erectile dysfunction (ED) may reflect vascular alterations associated with imbalanced matrix metalloproteinases (MMPs) activities. However, no previous study has compared MMPs levels in ED patients with those found in healthy subjects. We measured the circulating MMP-2, MMP-9, TIMP-1 and TIMP-2 levels in ED patients, with or without diabetes mellitus (DM), and in healthy controls. We studied 28 healthy men (control group), 35 men with ED (ED group), and 33 men with ED and DM (ED/DM group). MMP-2, MMP-9, TIMP-1 and TIMP-2 plasma levels were measured by enzyme-linked immunosorbent assay and zymography. We found no differences in MMP-9 levels (P>0.05) among groups. However, while patients in the ED group had similar TIMP-1 levels compared with those found in the control group, we found higher TIMP-1 levels and lower MMP-9/TIMP-1 ratios in the ED/DM group compared with controls (P<0.05). While both groups of patients (ED and ED/DM) had slightly lower MMP-2 levels compared with controls (P<0.05), we found no differences in TIMP-2 levels among the study groups (P>0.05), and no differences in MMP-2/TIMP-2 ratios (P>0.05). We found evidence indicating lack of significant alterations in circulating net MMP-9 and MMP-2 activities in patients with ED, and lower net MMP-9 activity in diabetic patients with ED. International Journal of Impotence Research (2012) 24, 38-43; doi:10.1038/ijir.2011.44; published online 15 September 2011

Effect of Colchicine on Myocardial Injury Induced by Trypanosoma cruzi in Experimental Chagas Disease

Background: The hallmark of Chagas disease (CD) is multifocal myocarditis and extensive fibrosis. We investigated the potential effect of colchicine on myocardial remodeling in experimental CD. Methods and Results: One hundred Syrian hamsters were randomly divided into noninfected untreated control (CG), noninfected control treated with colchicine (COLG 0.4 mg kg(-1) d(-1) by gavage), infected (IG), and infected treated with colchicine (ICOLG, 0.4 mg kg(-1) d(-1)) groups. The interstitial collagen volume fraction (ICVF) was evaluated by videomorphometry with picrosirius red staining. The gelatinolytic activities of matrix metalloproteinase (MMP) 2 were examined with the use of zymography. Myocarditis was described according to the Dallas criteria. Statistical comparisons were performed with parametric analysis of variance and Tukey test. ICVF (%) accumulation was attenuated in infected colchicine-treated animals in the left (CG 0.81 +/- 0.13, COLG 0.85 +/- 0.13, IG: 1.35 +/- 0.31,* ICOLG 1.06 +/- 0.19; *P < .05 compared with ICOLG) and right ventricles (CG 1.4 +/- 0.36, COLG 1.26 +/- 0.14, IG 1.97 +/- 0.058,* ICOLG: 1.52 +/- 0.23; *P < .05 compared with ICOLG). A significant increase in MMP-2 enzymatic activity (UA) was observed in ICOLG (17,432.8*) compared with GC (3731.6), COLG (2,792.6), and IG (4,286.3; *P < .001). In IG, 66% of animals had myocarditis compared with only 49% in ICOLG. Conclusions: Colchicine had a protective effect on myocardium, indicated by decreased interstitial myocardial fibrosis, increased intensity of MMP-2, and attenuated myocardial inflammation. (J Cardiac Fail 2012;18:654-659)

Natural Membranes for Application in Biomedical Devices

Polymers from natural sources are particularly useful as biomaterials for medical devices applications. In this study, the results of characterization of a gelatin network electrolyte doped with europium triflate (Eu(CF3SO3)(3)) are described. The unusual electronic properties of the trivalent lanthanide ions make them well suited as luminescent reporter groups, with many applications in biotechnology. Samples of solvent-free electrolytes were prepared with a range of guest salt concentration. Materials based on Eu(CF3SO3)(3) were obtained as mechanically robust, flexible, transparent, and completely amorphous films. Samples were characterized by thermal analysis (thermo-gravimetry analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC), electrochemical stability, scanning electronmicroscopy (SEM), and photoluminescence spectroscopy.

Fluoride modulates preosteoblasts viability and matrix metalloproteinases-2 and -9 activities

This study evaluated the influence of fluoride on cell viability and activity of matrix metalloproteinases (MMP) -2 and -9 secreted by preosteoblasts. Preosteoblasts (MC3T3-E1 murine cell line) were cultured in MEM medium supplement with 10% Fetal Bovine Serum (FBS) and nucleosides/ribonucleosides without ascorbic acid. Adherent cells were treated with different concentrations of F (as sodium fluoride-NaF) in medium (5 x 10-6 M, 10-5 M, 10-4 M and 10-3 M) for 24, 48, 72 and 96 h at 37ºC, 5% CO2. Control cells were cultivated in MEM only. After each period, preosteoblast viability was assessed by MTT assay. MMP-2 and -9 activities were performed by gel zymography. Also, alkaline phosphatase (ALP) activity was quantified by colorimetry in all experimental groups. It was shown that cultured cells with the highest dose of F (10-3 M) for 96 h decreased preosteoblast viability while lower doses of F did not alter it, when compared to untreated cells. No differences were observed in ALP activity among groups. Moreover, compared to control, the treatment of cells with F at low dose slightly increased MMP-2 and -9 activities after 24 h. It was concluded that F modulates preosteoblast viability in a dose-dependent manner and also may regulate extracellular matrix remodeling.

Screening bacterial metabolites for inhibitory effects against Batrachochytrium dendrobatidis using a spectrophotometric assay

Certain bacteria present on frog skin can prevent infection by the pathogenic fungus Batrachochytrium dendrobatidis (Bd), conferring disease resistance. Previous studies have used agar-based in vitro challenge assays to screen bacteria for Bd-inhibitory activity and to identify candidates for bacterial supplementation trials. However, agar-based assays can be difficult to set up and to replicate reliably. To overcome these difficulties, we developed a semi-quantitative spectrophotometric challenge assay technique. Cell-free supernatants were prepared from filtered bacterial cultures and added to 96-well plates in replicated wells containing Bd zoospores suspended in tryptone-gelatin hydrolysate-lactose (TGhL) broth medium. Plates were then read daily on a spectrophotometer until positive controls reached maximum growth in order to determine growth curves for Bd. We tested the technique by screening skin bacteria from the Australian green-eyed tree frog Litoria serrata. Of bacteria tested, 31% showed some degree of Bd inhibition, while some may have promoted Bd growth, a previously unknown effect. Our cell-free supernatant challenge assay technique is an effective in vitro method for screening bacterial isolates for strong Bd-inhibitory activity. It contributes to the expanding field of bioaugmentation research, which could play a significant role in mitigating the effects of chytridiomycosis on amphibians around the world.

Biomimetic Materials for Biomedical Applications

Objects with complex shape and functions have always attracted attention and interest. The morphological diversity and complexity of naturally occurring forms and patterns have been a motivation for humans to copy and adopt ideas from Nature to achieve functional, aesthetic and social value. Biomimetics is addressed to the design and development of new synthetic materials using strategies adopted by living organisms to produce biological materials. In particular, biomineralized tissues are often sophisticate composite materials, in which the components and the interfaces between them have been defined and optimized, and that present unusual and optimal chemical-physical, morphological and mechanical properties. Moreover, biominerals are generally produced by easily traceable raw materials, in aqueous media and at room pressure and temperature, that is through cheap process and materials. Thus, it is not surprising that the idea to mimic those strategies proper of Nature has been employed in several areas of applied sciences, such as for the preparation of liquid crystals, ceramic thin films computer switches and many other advanced materials. On this basis, this PhD thesis is focused on the investigation of the interaction of biologically active ions and molecules with calcium phosphates with the aim to develop new materials for the substitution and repair of skeletal tissue, according to the following lines: I. Modified calcium phosphates. A relevant part of this PhD thesis has been addressed to study the interaction of Strontium with calcium phosphates. It was demonstrated that strontium ion can substitute for calcium into hydroxyapatite, causing appreciable structural and morphological modifications. The detailed structural analysis carried out on the nanocrystals at different strontium content provided new insight into its interaction with the structure of hydroxyapatite. At variance with the behaviour of Sr towards HA, it was found that this ion inhibits the synthesis of octacalcium phosphate. However, it can substitute for calcium in this structure up to 15 atom %, in agreement with the increase of the cell parameters observed on increasing ion concentration. A similar behaviour was found for Magnesium ion, whereas Manganese inhibits the synthesis of octacalcium phosphate and it promotes the precipitation of dicalcium phosphate dehydrate. It was also found that Strontium affects the kinetics of the reaction of hydrolysis of α-TCP. It inhibits the conversion from α-TCP to hydroxyapatite. However, the resulting apatitic phase contains significant amounts of Sr2+ suggesting that the addition of Sr2+ to the composition of α-TCP bone cements could be successfully exploited for its local delivery in bone defects. The hydrolysis of α-TCP has been investigated also in the presence of increasing amounts of gelatin: the results indicated that this biopolymer accelerates the hydrolysis reaction and promotes the conversion of α-TCP into OCP, suggesting that its addition in the composition of calcium phosphate cements can be employed to modulate the OCP/HA ratio, and as a consequence the solubility, of the set cement. II. Deposition of modified calcium phosphates on metallic substrates. Coating with a thin film of calcium phosphates is frequently applied on the surface of metallic implants in order to combine the high mechanical strength of the metal with the excellent bioactivity of the calcium phosphates surface layers. During this PhD thesis, thank to the collaboration with prof. I.N. Mihailescu, head of the Laser-Surface-Plasma Interactions Laboratory (National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics – Laser Department, Bucharest) Pulsed Laser Deposition has been successfully applied to deposit thin films of Sr substituted HA on Titanium substrates. The synthesized coatings displayed a uniform Sr distribution, a granular surface and a good degree of crystallinity which slightly decreased on increasing Sr content. The results of in vitro tests carried out on osteoblast-like and osteoclast cells suggested that the presence of Sr in HA thin films can enhance the positive effect of HA coatings on osteointegration and bone regeneration, and prevent undesirable bone resorption. The possibility to introduce an active molecule in the implant site was explored using Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation to deposit hydroxyapatite nanocrystals at different content of alendronate, a bisphosphonate widely employed in the treatments of pathological diseases associated to bone loss. The coatings displayed a good degree of crystallinity, and the results of in vitro tests indicated that alendronate promotes proliferation and differentiation of osteoblasts even when incorporated into hydroxyapatite. III. Synthesis of drug carriers with a delayed release modulated by a calcium phosphate coating. A core-shell system for modulated drug delivery and release has been developed through optimization of the experimental conditions to cover gelatin microspheres with a uniform layer of calcium phosphate. The kinetics of the release from uncoated and coated microspheres was investigated using aspirin as a model drug. It was shown that the presence of the calcium phosphate shell delays the release of aspirin and allows to modulate its action.

Evaluierung und Quantifizierung von Einflussfaktoren auf die aerodynamischen Eigenschaften inhalativer Pulvermischungen

Die Analyse der Einflussfaktoren Kapselmaterial, Trägerlaktose, Additiv-Anteil, Mischreihenfolge und mechanische Belastung ergibt verschiedene Haupteinflussfaktoren und kombinierte Wechselwirkungen, die einen deutlichen Effekt auf die aerodynamischen Eigenschaften (ausgebrachte Dosis und Verteilung des aerodynamischen Feinanteils) haben. Sowohl das Kapselmaterial als auch die Trägerlaktose werden als primäre Einflussfaktoren identifiziert: Mit „inerten” PE-Kapseln lassen sich höhere Resultate erzielen als mit „adhäsiven” Gelatine-Kapseln, während „feines” Trägermaterial die Ausbringung stärker fördert, als „grobes“ Trägermaterial. Alles Faktoren, die sich in gleicher Weise auf die Verteilung des aerodynamischen Feinanteils auswirken. Der zur binären Mischung zugefügte Additiv-Anteil führt neben einem ausgeprägten kapselmaterialabhängigen Effekt auf die Höhe der ausgebrachten Dosis auch zu einer Steigerung in der Verteilung des aerodynamischen Feinanteils („Umhüllungseffekt”), was durch die Variation der Mischreihenfolge anschaulich nachgewiesen wird. Die anschließende detaillierte Charakterisierung der beobachteten Effekte auf Basis von Partikelmorphologie und Oberflächenstruktur der Kapseln führt zu einer Differenzierung in Partikel-Partikel-Wechselwirkungen (z.B. „Umhüllungseffekt”, „Multiplets“) und Partikel-Kapsel- Wechselwirkungen (z.B. „Auspudereffekt”). Durch Entwicklung von analytischen Verfahren wird eine Quantifizierung der Trägerlaktose möglich, was für den Nachweis einer positiven Korrelation zwischen den aerodynamischen Eigenschaften von Wirkstoff und Trägerlaktose notwendig ist. Sowohl für die ausgebrachte Dosis als auch für die Verteilung des aerodynamischen Feinanteils zeigt sich ein parallel verlaufender Anstieg der Ergebnisse.

Regulation der Phorbolester-induzierten Matrix-Metalloproteinase-9-Expression in humanen Brustkrebszelllinien durch Stickstoffmonoxid

Das Hauptziel dieser Arbeit war die Identifizierung der Regulationsebenen auf denen die TPA-induzierte Matrix-Metalloproteinase-9 (MMP-9) durch das nitrose Gas Stickstoffmonoxid (NO) in MCF-7-Zellen verändert wird. Dabei konnte sowohl mit Hilfe der Zymographie als auch mit einem MMP-9-Aktivitäts-ELISA gezeigt werden, dass die extrazellulären MMP-9-Spiegel durch die Behandlung der Zellen mit NO reduziert werden. Gleichzeitig zeigte sich auch eine durch NO bedingte Abnahme der intrazellulären MMP-9-Spiegel, wie mit Hilfe von Western-Blot-Analyse nachgewiesen werden konnte. Experimente mit dem Proteasominhibitor Lactacystin und dem Proteinsynthesehemmstoff Cycloheximid ließen darüber hinaus eine NO-bedingte Veränderung der MMP-9-Proteinstabilität ausschließen. Im Gegensatz dazu konnte mittels der metabolischen Markierung mit radioaktiv markiertem Methionin und Cystein gezeigt werden, dass die Proteinneusynthese der MMP-9 durch eine Behandlung der Zellen mit NO stark beeinträchtigt wird. In Übereinstimmung mit diesen Daten finden sich reduzierte MMP-9-mRNA-Spiegel auch in der polysomalen Zellfraktion von MCF-7-Zellen. Wie mit Hilfe des Transkriptionshemmstoffes Actinomycin D und durch Reportergenstudien mit hybriden MMP-9-Promotorkonstrukten gezeigt werden konnte, ist die NO-induzierte Reduktion der MMP-9-mRNA-Spiegel nicht auf eine Verringerung der MMP-9-mRNA-Stabilität zurückzuführen. Reportergenstudien mit einem 670bp langen Promotorfragment des 5’flankierenden Bereichs des humanen MMP-9-Gens zeigten jedoch auf, dass der hemmende Effekt des NOs zum Teil auf eine NO-vermittelte Abnahme der TPA-induzierten MMP-9-Promotoraktivität zurückgeführt werden kann. Demzufolge wurde in den nachfolgenden Experimenten nach den für die MMP-9-Expression notwendigen und von NO modulierten Transkriptionsfaktoren in MCF-7-Zellen gesucht. Anhand von Western-Blot-Analysen und Gelshiftanalysen konnte gezeigt werden, dass die Aktivität des Transkriptionsfaktors AP-1 in MCF-7-Zellen durch NO gehemmt wird, während weder die Expressionspiegel noch die Bindungsaffinität der Transkriptionsfaktoren NFκB und Sp1 durch die NO-Behandlung verändert sind. Weiterhin konnte unter Verwendung von pharmakologischen Inhibitoren der MAPK-Signalwege mit Hilfe der Western-Blot-Analyse nachgewiesen werden, dass MAPK-vermittelte Signalwege zwar für die Induktion der MMP-9-Expression essenziell sind, diese jedoch nicht von NO beeinflusst sind. Im Unterschied hierzu konnte mit Hilfe eines PKC-Aktivitätsassays gezeigt werden, dass die Gesamtaktivität von PKCs nach Behandlung von MCF-7-Zellen mit NO signifikant gehemmt ist. Zusammenfassend zeigen diese Untersuchungen, dass die NO-vermittelte Hemmung der TPA-induzierten MMP-9-Expression in MCF-7-Zellen im Wesentlichen auf eine NO-abhängige Reduktion der Protein-Kinase-C-Aktivität und einer daraus resultierenden Aktivitätshemmung des Transkriptionsfaktors AP-1 zurückgeführt werden kann.

Biodegradable systems for the development of functional materials

This PhD work was aimed to design, develop, and characterize gelatin-based scaffolds, for the repair of defects in the muscle-skeletal system. Gelatin is a biopolymer widely used for pharmaceutical and medical applications, thanks to its biodegradability and biocompatibility. It is obtained from collagen via thermal denaturation or chemical-physical degradation. Despite its high potential as biomaterial, gelatin exhibits poor mechanical properties and a low resistance in aqueous environment. Crosslinking treatment and enrichment with reinforcement materials are thus required for biomedical applications. In this work, gelatin based scaffolds were prepared following three different strategies: films were prepared through the solvent casting method, electrospinning technique was applied for the preparation of porous mats, and 3D porous scaffolds were prepared through freeze-drying. The results obtained on films put into evidence the influence of pH, crosslinking and reinforcement with montmorillonite (MMT), on the structure, stability and mechanical properties of gelatin and MMT/gelatin composites. The information acquired on the effect of crosslinking in different conditions was utilized to optimize the preparation procedure of electrospun and freeze-dried scaffolds. A successful method was developed to prepare gelatin nanofibrous scaffolds electrospun from acetic acid/water solution and stabilized with a non-toxic crosslinking agent, genipin, able to preserve their original morphology after exposure to water. Moreover, the co-electrospinning technique was used to prepare nanofibrous scaffolds at variable content of gelatin and polylactic acid. Preliminary in vitro tests indicated that the scaffolds are suitable for cartilage tissue engineering, and that their potential applications can be extended to cartilage-bone interface tissue engineering. Finally, 3D porous gelatin scaffolds, enriched with calcium phosphate, were prepared with the freeze-drying method. The results indicated that the crystallinity of the inorganic phase influences porosity, interconnectivity and mechanical properties. Preliminary in vitro tests show good osteoblast response in terms of proliferation and adhesion on all the scaffolds.

Chitosan based hydrogels for transmucosal drug delivery

The aim of this thesis was the formulation of new chitosan based delivery systems for transmucosal drug administration. Transmucosal routes, such as buccal, vaginal and nasal routes, allow the circumvention of the hepatic first pass metabolism and avoid the gastrointestinal chemical and enzymatic degradations. Moreover, transmucosal drug administration can allow to avoid pain or discomfort caused by injections, when drugs are administered through parenteral routes, thus increasing patient compliance. On the other side, the major disadvantage of transmucosal drug administration is represented by the presence of biological fluids and mucus that can remove drug systems from the application site, thus reducing the contact time between drug and mucosa and consequently, decreasing drug bioavailability. For this reason, in this study, the investigation of chitosan delivery systems as mucoadhesive formulations able to increase drugs residence time and to improve their bioavailability, was taken into account. In the paper 1, buccal films based on chitosan-gelatin complexes were prepared and loaded with propranolol hydrochloride. The complexes were characterized and studied in order to evaluate their physical- chemical properties and their ability to release the drug and to allow its permeation through buccal mucosa. In the paper 2, vaginal inserts based on chitosan/alginate complexes were formulated for local delivery of chlorhexidine digluconate. Tests to evaluate the interaction between the polymers and to study drug release properties were performed, as well as the determination of antimicrobial activity against the patogens responsible of vaginitis and candidosis. In the project 3, chitosan based nanoparticles containing cyclodextrin and other excipients, with the capacity to modify insulin bioavailabity were formulated for insulin nasal delivery. Nanoparticles were characterized in terms of size, stability and drug release. Moreover, in vivo tests were performed in order to study the hypoglycemic reduction in rats blood samples.

Electrospun Polymeric Scaffolds with Enhanced Biomimetic Properties for Tissue Engineering Applications

This PhD Thesis is focused on the development of fibrous polymeric scaffolds for tissue engineering applications and on the improvement of scaffold biomimetic properties. Scaffolds were fabricated by electrospinning, which allows to obtain scaffolds made of polymeric micro or nanofibers. Biomimetism was enhanced by following two approaches: (1) the use of natural biopolymers, and (2) the modification of the fibers surface chemistry. Gelatin was chosen for its bioactive properties and cellular affinity, however it lacks in mechanical properties. This problem was overcome by adding poly(lactic acid) to the scaffold through co-electrospinning and mechanical properties of the composite constructs were assessed. Gelatin effectively improves cell growth and viability and worth noting, composite scaffolds of gelatin and poly(lactic acid) were more effective than a plain gelatin scaffold. Scaffolds made of pure collagen fibers were fabricated. Modification of collagen triple helix structure in electrospun collagen fibers was studied. Mechanical properties were evaluated before and after crosslinking. The crosslinking procedure was developed and optimized by using - for the first time on electrospun collagen fibers - the crosslinking reactant 1,4-butanediol diglycidyl ether, with good results in terms of fibers stabilization. Cell culture experiments showed good results in term of cell adhesion and morphology. The fiber surface chemistry of electrospun poly(lactic acid) scaffold was modified by plasma treatment. Plasma did not affect thermal and mechanical properties of the scaffold, while it greatly increased its hydrophilicity by the introduction of carboxyl groups at the fiber surface. This fiber functionalization enhanced the fibroblast cell viability and spreading. Surface modifications by chemical reactions were conducted on electrospun scaffolds made of a polysophorolipid. The aim was to introduce a biomolecule at the fiber surface. By developing a series of chemical reactions, one oligopeptide every three repeating units of polysophorolipid was grafted at the surface of electrospun fibers.

Differentiation and extracellular matrix interactions of chondrocytes in response to signaling molecules and biomaterials for cartilage repair = Differenzierung und Interaktionen von Chondrozyten mit der extrazellulären Matrix als Reaktion auf Signalmoleküle und Biomaterialien für die Wiederinstandsetzung von Knorpel

Chondrocytes live isolated in the voluminous extracellular matrix of cartilage, which they secrete and is neither vascularized nor innervated. Nutrient and waste exchanges occur through diffusion leading to low oxygen tension around the cells. Consequently even normal cartilage under normal physiological conditions suffers from a poor reparative potential that predisposes to degenerative conditions, such as osteoarthritis of the joints, with significant clinical effects.rnOne of the key challenges in medicine is the structural and functional replacement of lost or damaged tissues. Current therapeutical approaches are to transplant cells, implant bioartificial tissues, and chemically induce regeneration at the site of the injury. None of them reproduces well the biological and biomechanical properties of hyaline cartilage.rnThis thesis investigates the re-differentiation of chondrocytes and the repair of cartilage mediated by signaling molecules, biomaterials, and factors provided in mixed cellular cultures (co-culture systems). As signaling molecules we have applied prostaglandin E2 (PGE2) and bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) and we have transfected chondrocytes with BMP-1 expressing vectors. Our biomaterials have been hydrogels of type-I collagen and gelatin-based scaffolds designed to mimic the architecture and biochemistry of native cartilage and provide a suitable three-dimensional environment for the cells. We have brought chondrocytes to interact with osteosarcoma Cal 72 cells or with murine preosteoblastic KS483 cells, either in a cell-to-cell or in a paracrine manner.rnExogenous stimulation with PGE2 or BMP-1 did not improve the differentiation or the proliferation of human articular chondrocytes. BMP-1 induced chondrocytic de-differentiation in a dose-dependent manner. Prostaglandin stimulation from gelatin-based scaffolds (three-dimensional culture) showed a certain degree of chondrocyte re-differentiaton. Murine preosteoblastic KS483 cells had no beneficial effect on human articular chondrocytes jointly cultivated with them in hydrogels of type I collagen. Although the hydrogels provided the chondrocytes with a proper matrix in which the cells adopted their native morphology; additionally, the expression of chondrocytic proteoglycan increased in the co-cultures after two weeks. The co-culture of chondrocytes with osteoblast-like cells (in transwell systems) resulted in suppression of the regular de-differentiation program that passaged chondrocytes undergo when cultured in monolayers. Under these conditions, the extracellular matrix of the chondrocytes, rich in type-II collagen and aggrecan, was not transformed into the extracellular matrix characteristic of de-differentiated human articular chondrocytes, which is rich in type-I collagen and versican.rnThis thesis suggests novel strategies of tissue engineering for clinical attempts to improve cartilage repair. Since implants are prepared in vitro (ex-vivo) by expanding human articular chondrocytes (autologous or allogeneic), we conclude that it will be convenient to provide a proper three-dimensional support to the chondrocytes in culture, to supplement the culture medium with PGE2, and to stimulate chondrocytes with osteoblastic factors by cultivating them with osteoblasts.rn

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn