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

Structural and surface property characterization of titanium dioxide nanotubes for orthopedic implants

This research focused on the to modification of the surface structure of titanium implants with nanostructured morphology of TiO2 nanotubes and studied the interaction of nanotubes with osteoblast cells to understand the parameters that affect the cell growth. The electrical, mechanical, and structural properties of TiO2 nanotubes were characterized to establish a better understanding on the properties of such nanoscale morphological structures. To achieve the objectives of this research work I transformed the titanium and its alloys, either in bulk sheet form, bulk machined form, or thin film deposited on another substrate into a surface of titania nanotubes using a low cost and environmentally friendly process. The process requires only a simple electrolyte, low cost electrode, and a DC power supply. With this simple approach of scalable nanofabrication, a typical result is nanotubes that are each approximately 100nm in diameter and have a wall thickness of about 20nm. By changing the fabrication parameters, independent nanotubes can be fabricated with open volume between them. Titanium in this form is termed onedimensional since electron transport is narrowly confined along the length of the nanotube. My Ph.D. accomplishments have successfully shown that osteoblast cells, the cells that are the precursors to bone, have a strong tendency to attach to the inside and outside of the titanium nanotubes onto which they are grown using their filopodia – cell’s foot used for locomotion – anchored to titanium nanotubes. In fact it was shown that the cell prefers to find many anchoring sites. These sites are critical for cell locomotion during the first several weeks of maturity and upon calcification as a strongly anchored bone cell. In addition I have shown that such a surface has a greater cell density than a smooth titanium surface. My work also developed a process that uses a focused and controllably rastered ion beam as a nano-scalpel to cut away sections of the osteoblast cells to probe the attachment beneath the main cell body. Ultimately the more rapid growth of osteoblasts, coupled with a stronger cell-surface interface, could provide cost reduction, shorter rehabilitation, and fewer follow-on surgeries due to implant loosening.

Geochemistry and petrology of basalts from Celebes Sea

Major-, trace-, and rare-earth element analyses are presented from a suite of basaltic rocks from the basement of the Celebes Sea. The major elements and trace-elements were determined by X-ray fluorescence techniques, and the rare-earth elements were analyzed by instrumental neutron activation analysis. Compositionally the Celebes Sea basalts are very similar to typical normal mid-ocean ridge basalts, such as those described from the Indian Ocean triple junction. Petrogenetic modeling shows that all of the basalts analyzed can be formed by 10% to 20% partial melting of a light rare-earth element-depleted spinel lherzolite followed by fractional crystallization of mixtures of olivine, Plagioclase, and iron oxide. The Celebes Sea is interpreted as a fragment of the basement of the Jurassic Argo abyssal plain trapped during the Eocene to the north of Australia.

Geochemistry and petrology of the volcanic rocks from the Sulu Sea

Major-, trace-, and rare-earth element analyses of the basaltic rocks recovered from the basement of the Sulu Sea and of lithic clasts from the pyroclastic unit representing the acoustic basement of the Cagayan Ridge, are presented. The major and trace elements were measured by X-ray fluorescence techniques, and rare-earth elements by instrumental neutron activation analysis. These data show that the Sulu Sea basalts are back-arc tholeiites and the lithic clasts are basalts, basaltic andesites, and andesites typical of volcanic arc suites erupted on continental crust. Petrogenetic modeling is used to show that the Sulu Sea basalts were derived from a heterogeneous mantle, probably representing subcontinental lithosphere, with contributions from a subduction component. The Sulu Sea is interpreted as a back-arc basin formed by rifting of an Oligocene to early Miocene volcanic arc leaving the Cagayan Ridge as a remnant arc. This event occurred during northward subduction of the Celebes Sea basement beneath the Oligocene to early Miocene arc.

Methods for the analysis of columbium and its alloys /

This report consists of the analytical procedures modified or developed at Pratt & Whitney Aircraft, CANEL, for the determination of alloying constituents and impurities in columbium and its alloys. Included are spectrophotometric methods for chromium, columbium, iron, molybdenum, tungsten, nickel, nitrogen and titanium; volumetric methods for chromium, vanadium and zirconium; emission and X-ray spectrographic methods for various alloying elements; a spectrographic method for zirconium and trace impurities and miscellaneous methods for aluminum, carbon, oxygen and hydrogen.

(Table 2, Page 252) Average chemical composition of 11 manganese nodules and crust from the Pacific Ocean

The ability of the hydrated oxides of manganese and iron to adsorb ions from solution (scavenging) is considered in relation to some problems in marine geology, chemistry, and biology. In the ferruginous sediments of the Pacific Ocean, iron oxides are accompanied by titanium, cobalt, and zirconium in amounts proportional to the iron content. Similarly, copper and nickel are linearly related to the manganese content. These observations are explained on the basis of scavenging. An electrochemical theory for the formation of manganese nodules is presented. Marine sediments are classified on the basis of the geosphere in which the solid phases originate. The distribution of certain ionic species in sea water between the solid and aqueous phases is considered on the basis of scavenging and co-ordination compound theory. The concentration of minor elements by members of the marine biosphere is explained either by the direct uptake of the element or by the uptake of iron or manganese oxides with the accompanying scavenged element.