Biomolecules Covalently Anchored on Titanium using Electrophoretic Deposition

Promovendus/a: Merve Kübra Aktan

Promotor(en): Prof. dr. Annabel Braem

De meest voorkomende redenen voor het falen van botimplantaten zijn aseptisch losraken of infecties. Om het probleem van pijnlijke en dure revisieoperaties effectief aan te pakken, is er dringend behoefte aan de volgende generatie van multifunctionele implantaten die een verbeterde integratie in bot bewerkstelligen en tegelijkertijd de contaminatie van bacteriën kunnen tegengaan. Functionalisatie van implantaatoppervlakken met biologisch actieve moleculen, zoals antimicrobiële eiwitten en enzymen, trekt steeds meer aandacht. Immers, door deze antimicrobiële moleculen permanent te binden aan het oppervlak vermindert het risico op toxisch effecten en hoeven geen onnodig hoge doses gebruikt te worden. Het is echter niet eenvoudig om een biofunctionalisatie proces te ontwikkelen, welke een snelle productie van zeer stabiele coatings met gecontroleerde dikte mogelijk maakt, terwijl de bioactiviteit behouden blijft. Immobilisatie wordt meestal bewerkstelligd door chemische binding, d.w.z. activering van het oppervlak met reactieve functionele groepen gevolgd door onderdompeling van het substraat in de biomolecuuloplossing. Het bereiken van een biologische actieve drempelconcentratie is echter tijdrovend (productietijden variëren van enkele uren tot een dag), aangezien de immobilisatiesnelheid afhangt van de passieve diffusie van biomoleculen naar het oppervlak. In dit doctoraatsonderzoek wordt elektroforetische depositie (electrophoretic deposition: EPD) voorgesteld als een snelle immobilisatiestrategie om de biomoleculen actief te concentreren op het oppervlak van titanium implantaten. EPD is een gevestigde techniek voor het aanbrengen van poederdeklagen en is een colloïdaal proces gebaseerd op de elektroforese van geladen deeltjes in suspensie onder invloed van een extern elektrisch veld. Het is een goedkoop proces op lage temperatuur en met een hoge zuiverheidsgraad wat kan gebruikt worden om complexe vormen, zoals implantaten, te coaten met een breed scala aan materialen en met gecontroleerde laagdiktes. Om elektrolyse – en bijgevolg de vorming van gasbellen, pH veranderingen en opwarming van de suspensies – in waterige systemen te voorkomen, kunnen wisselstroomvelden (alternating current: AC) met een asymmetrische golfvorm worden gebruikt. Het is echter belangrijk om denaturatie en veranderingen in conformatie van de biomoleculen te voorkomen (als gevolg van ohmse verhitting of pH veranderingen, die tot op zekere hoogte nog steeds aanwezig kunnen zijn), aangezien dit kan leiden tot een verminderde biologische activiteit. In dit doctoraatsproject wordt een snel en betrouwbaar AC-EPD-gebaseerd proces ontwikkeld voor de covalente immobilisatie van biomoleculen op metalen oppervlakken, wat resulteert in stabiele en meer duurzame coatings met verbeterde biologische prestaties om zo de kans op implantaatfalen te verminderen.