Maßgeschneiderte polymerisierbare Tenside zur simultanen Stabilisierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln in der Miniemulsionspolymerisation

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene funktionale, polymerisierbare Tenside (Surfmere) synthetisiert, um unmittelbar und exklusiv die Partikeloberfläche in der Miniemulsionspolymerisation mit der gewünschten Funktion für weitere Anwendungen auszurüsten. Hierdurch ist es möglich, auf konventionelle Tenside, welche bedingt durch ihre Mobilität in einigen Anwendungen zu Schwierigkeiten führen, gänzlich zu verzichten. Zusätzlich bietet der Einsatz von Surfmeren eine höhere Kontrolle über die Lokalisation und Verteilung der Funktionalitäten auf der Partikeloberfläche, im Vergleich zum Einsatz von klassischen Comonomeren. rnThematische Schwerpunkte der Arbeit lagen in der Ausrüstung von Partikeloberflächen mit Haftgruppen (Phosphonsäuren) oder Fluoreszenzmarkern sowie der Aufbringung von Initiatorgruppen über Surfmere zur Synthese von Kern-Schale-Partikeln in einem zweistufigen Prozess. Bei allen neu synthetisierten Surfmeren wurde als polymerisierbare Einheit eine Methacrylamidgruppe gewählt, um Funktionalitätenverlust durch Hydrolyse auszuschließen.rnIm Bereich der Haftgruppen wurde gezeigt, dass der Einsatz von phosphonathaltigen Surfmeren die Kontrolle der Partikelgröße und Funktionalisierungsdichte in weiten Bereichen ermöglicht und langzeitstabile Dispersionen erhalten werden. Die Partikel wurden auf ihre Cytotoxizität und ihre biomimetische Mineralisierbarkeit hin untersucht.rnZum Nachweis der Copolymerisation des Surfmers mit dem Hauptmonomer wurde ein Phosphonsäure-Surfmer mit einem Farbstoff auf Naphthalimidbasis synthetisiert. Dies ermöglichte den Nachweis der Copolymerisation mittels Gelpermeationschromatographie.rnZur Fluoreszenzmarkierung von Partikeloberfläche wurden erstmals Surfmere realisiert, die in der Kopfgruppe eine BODIPY-Einheit, welche in 2 oder 2,6-Position sulfoniert wurde, als Fluorophor tragen. Der Polymerisationsbeweis wurde durch HPLC-Messungen geführt und die Lokalisation auf der Partikeloberfläche durch Quenchungsexperimente verifiziert. rnDes Weiteren wurde ein kationisches Surfmer synthetisiert, welches nahe der Kopfgruppe eine Bromo iso-buttersäureeinheit zur AGET-ATRP-Initiierung trägt und somit potentiell zum Aufbau von Kern-Schale-Morphologien befähigt ist.

Simulations of amphiphilic peptides at the air-water interface

Amphiphile Peptide, Pro-Glu-(Phe-Glu)n-Pro, Pro-Asp-(Phe-Asp)n-Pro, und Phe-Glu-(Phe-Glu)n-Phe, können so aus n alternierenden Sequenzen von hydrophoben und hydrophilen Aminosäuren konstruiert werden, dass sie sich in Monolagen an der Luft-Wasser Grenzfläche anordnen. In biologischen Systemen können Strukturen an der organisch-wässrigen Grenzfläche als Matrix für die Kristallisation von Hydroxyapatit dienen, ein Vorgang der für die Behandlung von Osteoporose verwendet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurden Computersimulationenrneingesetzt, um die Strukturen und die zugrunde liegenden Wechselwirkungen welche die Aggregation der Peptide auf mikroskopischer Ebene steuern, zu untersuchen. Atomistische Molekulardynamik-Simulationen von einzelnen Peptidsträngen zeigen, dass sie sich leicht an der Luft-Wasser Grenzfläche anordnen und die Fähigkeit haben, sich in β-Schleifen zu falten, selbst für relativ kurze Peptidlängen (n = 2). Seltene Ereignisse wie diese (i.e. Konformationsänderungen) erfordern den Einsatz fortgeschrittener Sampling-Techniken. Hier wurde “Replica Exchange” Molekulardynamik verwendet um den Einfluss der Peptidsequenzen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass Peptide mit kürzeren azidischen Seitenketten (Asp vs. Glu) gestrecktere Konformationen aufwiesen als die mit längeren Seitenketten, die in der Lage waren die Prolin-Termini zu erreichen. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Prolin-Termini (Pro vs. Phe) notwendig sind, um eine 2D-Ordnung innerhalb derrnAggregate zu erhalten. Das Peptid Pro-Asp-(Phe-Asp)n-Pro, das beide dieser Eigenschaften enthält, zeigt das geordnetste Verhalten, eine geringe Verdrehung der Hauptkette, und ist in der Lage die gebildeten Aggregate durch Wasserstoffbrücken zwischen den sauren Seitenketten zu stabilisieren. Somit ist dieses Peptid am besten zur Aggregation geeignet. Dies wurde auch durch die Beurteilung der Stabilität von experimentnah-aufgesetzten Peptidaggregaten, sowie der Neigung einzelner Peptide zur Selbstorganisation von anfänglich ungeordneten Konfigurationen unterstützt. Da atomistische Simulationen nur auf kleine Systemgrößen und relativ kurze Zeitskalen begrenzt sind, wird ein vergröbertes Modell entwickelt damit die Selbstorganisation auf einem größeren Maßstab studiert werden kann. Da die Selbstorganisation an der Grenzfläche vonrnInteresse ist, wurden existierenden Vergröberungsmethoden erweitert, um nicht-gebundene Potentiale für inhomogene Systeme zu bestimmen. Die entwickelte Methode ist analog zur iterativen Boltzmann Inversion, bildet aber das Update für das Interaktionspotential basierend auf der radialen Verteilungsfunktion in einer Slab-Geometrie und den Breiten des Slabs und der Grenzfläche. Somit kann ein Kompromiss zwischen der lokalen Flüssigketsstruktur und den thermodynamischen Eigenschaften der Grenzfläche erreicht werden. Die neue Methode wurde für einen Wasser- und einen Methanol-Slab im Vakuum demonstriert, sowie für ein einzelnes Benzolmolekül an der Vakuum-Wasser Grenzfläche, eine Anwendung die von besonderer Bedeutung in der Biologie ist, in der oft das thermodynamische/Grenzflächenpolymerisations-Verhalten zusätzlich der strukturellen Eigenschaften des Systems erhalten werden müssen. Daraufrnbasierend wurde ein vergröbertes Modell über einen Fragment-Ansatz parametrisiert und die Affinität des Peptids zur Vakuum-Wasser Grenzfläche getestet. Obwohl die einzelnen Fragmente sowohl die Struktur als auch die Wahrscheinlichkeitsverteilungen an der Grenzfläche reproduzierten, diffundierte das Peptid als Ganzes von der Grenzfläche weg. Jedoch führte eine Reparametrisierung der nicht-gebundenen Wechselwirkungen für eines der Fragmente der Hauptkette in einem Trimer dazu, dass das Peptid an der Grenzfläche blieb. Dies deutet darauf hin, dass die Kettenkonnektivität eine wichtige Rolle im Verhalten des Petpids an der Grenzfläche spielt.

Synthesis of constrained peptidomimetics for therapeutic, diagnostic and theranostic applications

This thesis work deals, principally, with the development of different chemical protocols ranging from environmental sustainability peptide synthesis to asymmetric synthesis of modified tryptophans to a series of straightforward procedures for constraining peptide backbones without the need for a pre-formed scaffold. Much efforts have been dedicated to the structural analysis in a biomimetic environment, fundamental for predicting the in vivo conformation of compounds, as well as for giving a rationale to the experimentally determined bioactivity. The conformational analyses in solution has been done mostly by NMR (2D gCosy, Roesy, VT, titration experiments, molecular dynamics, etc.), FT-IR and ECD spectroscopy. As a practical application, 3D rigid scaffolds have been employed for the synthesis of biological active compounds based on peptidomimetic and retro-mimetic structures. These mimics have been investigated for their potential as antiflammatory agents and actually the results obtained are very promising. Moreover, the synthesis of Amo ring permitted the development of an alternative high effective synthetic pathway for obtaining Linezolid antibiotic. The final section is, instead, dedicated to the construction of a new biosensor based on zeolite L SAMs functionalized with the integrin ligand c[RGDfK], that has showed high efficiency for the selective detection of tumor cells. Such kind of sensor could, in fact, enable the convenient, non-invasive detection and diagnosis of cancer in early stages, from a few drops of a patient's blood or other biological fluids. In conclusion, the researches described herein demonstrate that the peptidomimetic approach to 3D definite structures, allows unambiguous investigation of the structure-activity relationships, giving an access to a wide range bioactive compounds of pharmaceutical interest to use not only as potential drugs but also for diagnostic and theranostic applications.

Design of cell adhesive and angiogenic titanium surfaces for cellular stimulation

Die Förderung der Zelladhäsion durch sogenannte biomimetische Oberflächen wird in der Medizin als vielversprechender Ansatz gesehen, um Komplikationen wie z. B. Fremdkörperreaktionen nach der Implantation entgegenzuwirken. Neben der Immobilisierung einzelner Biomoleküle wie z. B. dem RGD-Peptid, Proteinen und Wachstumsfaktoren auf verschiedenen Materialien, konzentriert man sich derzeit in der Forschung auf die Co-Immobilisierung zweier Moleküle gleichzeitig. Hierbei werden die funktionellen Gruppen z. B. von Kollagen unter Verwendung von nur einer Kopplungschemie verwendet, wodurch die Kopplungseffizienz der einzelnen Komponenten nur begrenzt kontrollierbar ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Immobilisierungsverfahrens, welches die unabhängige Kopplung zweier Faktoren kontrolliert ermöglicht. Dabei sollten exemplarisch das adhäsionsfördernde RGD-Peptid (Arginin-Glycin-Asparaginsäure) zusammen mit dem Wachstumsfaktor VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) auf Titan gebunden werden. In weiteren Experimenten sollten dann die pro-adhäsiven Faktoren Fibronektin, Kollagen, Laminin und Osteopontin immobilisiert und untersucht werden. rnDie Aminofunktionalisierung von Titan durch plasma polymerisierte Allylaminschichten wurde als Grundlage für die Entwicklung des nasschemischen Co-immobilisierungsverfahren verwendet. Für eine unabhängige und getrennte Anbindung der verschiedenen Biomoleküle stand in diesem Zusammenhang die Entwicklung eines geeigneten Crosslinker Systems im Vordergrund. Die Oberflächencharakterisierung der entwickelten Oberflächen erfolgte mittels Infrarot Spektroskopie, Surface Plasmon Resonance Spektroskopie (SPR), Kontaktwinkelmessungen, Step Profiling und X-Ray Photoelectron Spektroskopie (XPS). Zur Analyse der Anbindungsprozesse in Echtzeit wurden SPR-Kinetik Messungen durchgeführt. Die biologische Funktionalität der modifizierten Oberflächen wurde in vitro an Endothelzellen (HUVECs) und Osteoblasten (HOBs) und in vivo in einem Tiermodell-System an der Tibia von Kaninchen untersucht.rnDie Ergebnisse zeigen, dass alle genannten Biomoleküle sowohl einzeln auf Titan kovalent gekoppelt als auch am Bespiel von RGD und VEGF in einem getrennten Zwei-Schritt-Verfahren co-immobilisiert werden können. Des Weiteren wurde die biologische Funktionalität der gebundenen Faktoren nachgewiesen. Im Falle der RGD modifizierten Oberflächen wurde nach 7 Tagen eine geförderte Zelladhäsion von HUVECs mit einer signifikant erhöhten Zellbesiedlungsdichte von 28,5 % (p<0,05) gezeigt, wohingegen auf reinem Titan Werte von nur 13 % beobachtet wurden. Sowohl VEGF als auch RGD/VEGF modifizierte Proben wiesen im Vergleich zu Titan schon nach 24 Stunden eine geförderte Zelladhäsion und eine signifikant erhöhte Zellbesiedlungsdichte auf. Bei einer Besiedlung von 7,4 % auf Titan, zeigten VEGF modifizierte Proben mit 32,3 % (p<0,001) eine deutlichere Wirkung auf HUVECs als RGD/VEGF modifizierte Proben mit 13,2 % (p<0,01). Die pro-adhäsiven Faktoren zeigten eine deutliche Stimulation der Zelladhäsion von HUVECs und HOBs im Vergleich zu reinem Titan. Die deutlich höchsten Besiedlungsdichten von HUVECs konnten auf Fibronektin mit 44,6 % (p<0,001) und Kollagen mit 39,9 % (p<0,001) nach 24 Stunden beobachtet werden. Laminin zeigte keine und Osteopontin nur eine sehr geringe Wirkung auf HUVECs. Bei Osteoblasten konnten signifikant erhöhte Besiedlungsdichten im Falle aller pro-adhäsiven Faktoren beobachtet werden, jedoch wurden die höchsten Werte nach 7 Tagen auf Kollagen mit 90,6 % (p<0,001) und Laminin mit 86,5 % (p<0,001) im Vergleich zu Titan mit 32,3 % beobachtet. Die Auswertung der Tierexperimente ergab, dass die VEGF modifizierten Osteosyntheseplatten, im Vergleich zu den reinen Titankontrollen, eine gesteigerte Knochenneubildung auslösten. Eine solche Wirkung konnte für RGD/VEGF modifizierte Implantate nicht beobachtet werden. rnInsgesamt konnte gezeigt werden, dass mittels plasmapolymerisierten Allylamin Schichten die genannten Biomoleküle sowohl einzeln gebunden als auch getrennt und kontrolliert co-immobilisiert werden können. Des Weiteren konnte eine biologische Funktionalität für alle Faktoren nach erfolgter Kopplung in vitro gezeigt werden. Wider Erwarten konnte jedoch kein zusätzlicher biologischer Effekt durch die Co-immobilisierung von RGD und VEGF im Vergleich zu den einzeln immobilisierten Faktoren gezeigt werden. Um zu einer klinischen Anwendung zu gelangen, ist es nun notwendig, das entwickelte Verfahren in Bezug auf die immobilisierten Mengen der verschiedenen Faktoren hin zu optimieren. rn

Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Design methods and geometric modelling of scaffolds for bone tissue engineering

Every year, thousand of surgical treatments are performed in order to fix up or completely substitute, where possible, organs or tissues affected by degenerative diseases. Patients with these kind of illnesses stay long times waiting for a donor that could replace, in a short time, the damaged organ or the tissue. The lack of biological alternates, related to conventional surgical treatments as autografts, allografts, e xenografts, led the researchers belonging to different areas to collaborate to find out innovative solutions. This research brought to a new discipline able to merge molecular biology, biomaterial, engineering, biomechanics and, recently, design and architecture knowledges. This discipline is named Tissue Engineering (TE) and it represents a step forward towards the substitutive or regenerative medicine. One of the major challenge of the TE is to design and develop, using a biomimetic approach, an artificial 3D anatomy scaffold, suitable for cells adhesion that are able to proliferate and differentiate themselves as consequence of the biological and biophysical stimulus offered by the specific tissue to be replaced. Nowadays, powerful instruments allow to perform analysis day by day more accurateand defined on patients that need more precise diagnosis and treatments.Starting from patient specific information provided by TC (Computed Tomography) microCT and MRI(Magnetic Resonance Imaging), an image-based approach can be performed in order to reconstruct the site to be replaced. With the aid of the recent Additive Manufacturing techniques that allow to print tridimensional objects with sub millimetric precision, it is now possible to practice an almost complete control of the parametrical characteristics of the scaffold: this is the way to achieve a correct cellular regeneration. In this work, we focalize the attention on a branch of TE known as Bone TE, whose the bone is main subject. Bone TE combines osteoconductive and morphological aspects of the scaffold, whose main properties are pore diameter, structure porosity and interconnectivity. The realization of the ideal values of these parameters represents the main goal of this work: here we'll a create simple and interactive biomimetic design process based on 3D CAD modeling and generative algorithmsthat provide a way to control the main properties and to create a structure morphologically similar to the cancellous bone. Two different typologies of scaffold will be compared: the first is based on Triply Periodic MinimalSurface (T.P.M.S.) whose basic crystalline geometries are nowadays used for Bone TE scaffolding; the second is based on using Voronoi's diagrams and they are more often used in the design of decorations and jewellery for their capacity to decompose and tasselate a volumetric space using an heterogeneous spatial distribution (often frequent in nature). In this work, we will show how to manipulate the main properties (pore diameter, structure porosity and interconnectivity) of the design TE oriented scaffolding using the implementation of generative algorithms: "bringing back the nature to the nature".

Mechanical insertion properties of calcium-phosphate implant coatings

Abstract Objectives: To investigate the influence of protein incorporation on the resistance of biomimetic calcium-phosphate coatings to the shear forces that are generated during implant insertion. Materials and Methods: Thirty-eight standard (5 x 13 mm) Osseotite((R)) implants were coated biomimetically with a layer of calcium phosphate, which either lacked or bore a co-precipitated (incorporated) depot of the model protein bovine serum albumin (BSA). The coated implants were inserted into either artificial bone (n=18) or the explanted mandibles of adult pigs (n=12). The former set-up was established for the measurement of torque and of coating losses during the insertion process. The latter set-up was established for the histological and histomorphometric analysis of the fate of the coatings after implantation. Results: BSA-bearing coatings had higher mean torque values than did those that bore no protein depot. During the insertion process, less material was lost from the former than from the latter type of coating. The histological and histomorphometric analysis revealed fragments of material to be sheared off from both types of coating at vulnerable points, namely, at the tips of the threads. The sheared-off fragments were retained within the peri-implant space. Conclusion: The incorporation of a protein into a biomimetically prepared calcium-phosphate coating increases its resistance to the shear forces that are generated during implant insertion. In a clinical setting, the incorporated protein would be an osteogenic agent, whose osteoinductive potential would not be compromised by the shearing off of coating material, and the osteoconductivity of an exposed implant surface would not be less than that of a coated one. To cite this article: Hägi TT, Enggist L, Michel D, Ferguson SJ, Liu Y, Hunziker EB. Mechanical insertion properties of calcium-phosphate implant coatings. Clin. Oral Impl. Res. xx, 2010; 000-000. doi: 10.1111/j.1600-0501.2010.01916.x.

The effect of alternative neuronal differentiation pathways on PC12 cell adhesion and neurite alignment to nanogratings

During development and regeneration of the mammalian nervous system, directional signals guide differentiating neurons toward their targets. Soluble neurotrophic molecules encode for preferential direction over long distances while the local topography is read by cells in a process requiring the establishment of focal adhesions. The mutual interaction between overlapping molecular and topographical signals introduces an additional level of control to this picture. The role of the substrate topography was demonstrated exploiting nanotechnologies to generate biomimetic scaffolds that control both the polarity of differentiating neurons and the alignment of their neurites. Here PC12 cells contacting nanogratings made of copolymer 2-norbornene ethylene (COC), were alternatively stimulated with Nerve Growth Factor, Forskolin, and 8-(4-chloro-phenylthio)-2'-O-methyladenosine-3',5'-cyclic (8CPT-2Me-cAMP) or with a combination of them. Topographical guidance was differently modulated by the alternative stimulation protocols tested. Forskolin stimulation reduced the efficiency of neurite alignment to the nanogratings. This effect was linked to the inhibition of focal adhesion maturation. Modulation of neurite alignment and focal adhesion maturation upon Forskolin stimulation depended on the activation of the MEK/ERK signaling but were PkA independent. Altogether, our results demonstrate that topographical guidance in PC12 cells is modulated by the activation of alternative neuronal differentiation pathways.

Diagnostic microchip to assay 3D colony-growth potential of captured circulating tumor cells

Microfluidic technology has been successfully applied to isolate very rare tumor-derived epithelial cells (circulating tumor cells, CTCs) from blood with relatively high yield and purity, opening up exciting prospects for early detection of cancer. However, a major limitation of state-of-the-art CTC-chips is their inability to characterize the behavior and function of captured CTCs, for example to obtain information on proliferative and invasive properties or, ultimately, tumor re-initiating potential. Although CTCs can be efficiently immunostained with markers reporting phenotype or fate (e.g. apoptosis, proliferation), it has not yet been possible to reliably grow captured CTCs over long periods of time and at single cell level. It is challenging to remove CTCs from a microchip after capture, therefore such analyses should ideally be performed directly on-chip. To address this challenge, we merged CTC capture with three-dimensional (3D) tumor cell culture on the same microfluidic platform. PC3 prostate cancer cells were isolated from spiked blood on a transparent PDMS CTC-chip, encapsulated on-chip in a biomimetic hydrogel matrix (QGel™) that was formed in situ, and their clonal 3D spheroid growth potential was assessed by microscopy over one week in culture. The possibility to clonally expand a subset of captured CTCs in a near-physiological in vitro model adds an important element to the expanding CTC-chip toolbox that ultimately should improve prediction of treatment responses and disease progression.

DESIGN AND SYNTHESIS OF MULTIFUNCTIONAL POLYMERIC MICELLES FOR GENE-DIRECTED ENZYME PRODRUG THERAPY

Gene-directed enzyme prodrug therapy is a form of cancer therapy in which delivery of a gene that encodes an enzyme is able to convert a prodrug, a pharmacologically inactive molecule, into a potent cytotoxin. Currently delivery of gene and prodrug is a two-step process. Here, we propose a one-step method using polymer nanocarriers to deliver prodrug, gene and cytotoxic drug simultaneously to malignant cells. Prodrugs acyclovir, ganciclovir and 5-doxifluridine were used to directly to initiate ring-opening polymerization of epsilon-caprolactone, forming a hydrophobic prodrug-tagged poly(epsilon-caprolactone) which was further grafted with hydrophilic polymers (methoxy poly(ethylene glycol), chitosan or polyethylenemine) to form amphiphilic copolymers for micelle formation. Successful synthesis of copolymers and micelle formation was confirmed by standard analytical means. Conversion of prodrugs to their cytotoxic forms was analyzed by both two-step and one-step means i.e. by first delivering gene plasmid into cell line HT29 and then challenging the cells with the prodrug-tagged micelle carriers and secondly by complexing gene plasmid onto micelle nanocarriers and delivery gene and prodrug simultaneously to parental HT29 cells. Anticancer effectiveness of prodrug-tagged micelles was further enhanced by encapsulating chemotherapy drugs doxorubicin or SN-38. Viability of colon cancer cell line HT29 was significantly reduced. Furthermore, in an effort to develop a stealth and targeted carrier, CD47-streptavidin fusion protein was attached onto the micelle surface utilizing biotin-streptavidin affinity. CD47, a marker of self on the red blood cell surface, was used for its antiphagocytic efficacy, results showed that micelles bound with CD47 showed antiphagocytic efficacy when exposed to J774A.1 macrophages. Since CD47 is not only an antiphagocytic ligand but also an integrin associated protein, it was used to target integrin alpha(v)beta(3), which is overexpressed on tumor-activated neovascular endothelial cells. Results showed that CD47-tagged micelles had enhanced uptake when treated to PC3 cells which have high expression of alpha(v)beta(3). The synthesized multifunctional polymeric micelle carriers developed could offer a new platform for an innovative cancer therapy regime.

Engineered fibrin matrices for functional display of cell membrane-bound growth factor-like activities: study of angiogenic signaling by ephrin-B2

With the rapid increase in approaches to pro- or anti-angiogenic therapy, new and effective methodologies for administration of cell-bound growth factors will be required. We sought to develop the natural hydrogel matrix fibrin as platform for extensive interactions and continuous signaling by the vascular morphogen ephrin-B2 that normally resides in the plasma membrane and requires multivalent presentation for ligation and activation of Eph receptors on apposing endothelial cell surfaces. Using fibrin and protein engineering technology to induce multivalent ligand presentation, a recombinant mutant ephrin-B2 receptor binding domain was covalently coupled to fibrin networks at variably high densities. The ability of fibrin-bound ephrin-B2 to act as ligand for endothelial cells was preserved, as demonstrated by a concomitant, dose-dependent increase of endothelial cell binding to engineered ephrin-B2-fibrin substrates in vitro. The therapeutic relevance of ephrin-B2-fibrin implant matrices was demonstrated by a local angiogenic response in the chick embryo chorioallontoic membrane evoked by the local and prolonged presentation of matrix-bound ephrin-B2 to tissue adjacing the implant. This new knowledge on biomimetic fibrin vehicles for precise local delivery of membrane-bound growth factor signals may help to elucidate specific biological growth factor function, and serve as starting point for development of new treatment strategies.

Generierung von Konstruktionsmerkmalen zur Entwicklung eines bio-inspirierten Kommissionier- Greifers für die Intralogistik mittels Clusteranalyse

Kurzbeschreibung: In der Automatisierung von intralogistischen Kommissioniervorgängen ist ein großes Zukunftspotential erkennbar. Elementarer Bestandteil des Automatisierungsprozesses ist der Einsatz von Industrierobotern, die mit einem geeigneten Endeffektor, dem Greifer, ausgestattet werden müssen. Die Robotik ist in der Lage schneller, präziser und ausdauernder als die menschlichen Kommissionierer zu arbeiten und trägt damit entscheidend zur Effizienzsteigerung bei. Eine wesentliche Herausforderung für diesen Entwicklungsschritt zur Substitution der manuellen Kommissionierung ist die Konstruktion und Bereitstellung eines geeigneten Greifsystems. Am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Technische Logistik der Helmut-Schmidt-Universität wurde mit der Erfahrung aus einem vorangegangenen Forschungsprojekt die Methode der Clusteranalyse erstmalig zur Untersuchung von Greifobjekten zur Entwicklung eines bionischen Universalgreifers für die Kommissionierung von Drogerieartikeln verwendet. Diese Abhandlung beschreibt einen Beitrag zur Entwicklung dieses Greifers am Beispiel handelsüblicher Drogerieartikel, die aktuell manuell kommissioniert werden. Diese werden hinsichtlich der für das Greifen relevanten Objektmerkmale geclustert und die daraus resultierenden Erkenntnisse in Form von Konstruktionsmerkmalen abgeleitet. Nach einer Analyse und Festlegung der greifrelevanten Merkmale der Greifobjekte wird eine Objektdatenbasis erstellt. Mit Hilfe geeigneter Methoden wird die gewonnene Datenbasis aufbereitet und reduziert. Im Anschluss werden die Greifobjekte bzw. deren Merkmalsausprägungen einer hierarchischen Clusteranalyse unterzogen. Hierbei werden die Grenzen der gebildeten Cluster mittels der zugehörigen Greifobjekte festgelegt und analysiert. Abschließend werden bestimmte greiferspezifische Merkmale auf die Anwendbarkeit in den Clustern überprüft und bewertet. Diese Betrachtungen ermöglichen es, dass spezielle Anforderungen an den Greifer, die direkt aus den Eigenschaften der Greifobjekte herrühren, zuverlässig erkannt und konstruktiv berücksichtigt werden können.

A stochastic principle behind polar properties of condensed molecular matter

A statistical mechanics view leads to the conclusion that polar molecules allowed to populate a degree of freedom for orientational disorder in a condensed phase thermalize into a bi-polar state featuring zero net polarity. In cases of orientational disorder polar order of condensed molecular matter can only exist in corresponding sectors of opposite average polarities. Channel type inclusion compounds, single component molecular crystals, solid solutions, optically anomalous crystals, inorganic ionic crystals, biomimetic crystals and biological tissues investigated by scanning pyroelectric and phase sensitive second harmonic generation microscopy all showed domains of opposite polarities in their final grown state. For reported polar molecular crystal structures it is assumed that kinetic hindrance along one direction of the polar axis is preventing the formation of a bi-polar state, thus allowing for a kinetically controlled mono-domain state. In this review we summarize theoretical and experimental findings leading to far reaching conclusions on the polar state of solid molecular matter. “… no stationary state … of a system has an electrical dipole moment.” P. W. Anderson, Science, 1972, 177, 393.

Glutamic acid inducing kidney stone biomimicry by a brushite/gelatin composite

Brushite is a well known precursor of calcium oxalate monohydrate, the main mineral found in kidney stones having a monoclinic crystal structure. Here, we present a new method for biomimicking brushite using a single tube diffusion technique for gel growth. Brushite crystals were grown by precipitation of calcium hydrogen phosphate hydrate in a gelatin/glutamic acid network. They are compared with those produced in gel in the presence of urea. The aggregates were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (IR) and thermal gravimetric analysis (TGA). SEM revealed a change of morphology by glutamic acid from spherulitic growth to plate-shaped and mushroom-like forms consisting of crystal plates and highly ordered prismatic needles, respectively. Furthermore, brushite crystals grown in a gelatin/glutamic acid/urea network showed needle-shaped morphology being different from other brushite growth forms. The XRD method showed that cell parameters for brushite specimens were slightly larger than those of the American Mineral Society reference structure. The mushroom-like biomimetic composite bears a strong resemblance to the brushite kidney stones which may open up new future treatment options for crystal deposition diseases. Hence, suitable diets from glutamic acid rich foods could be recommended to inhibit and control brushite kidney stones.