Antibacterial and Biocompatible Coating for Cardiovascular Grafts

Im Kapitel 1 Polyethylenterephthalat (PET) wird als der Goldstandard in der Therapie mit kardiovaskulären Implantaten wie z.B. künstlichen Herzklappen oder Gefäßen angesehen. Trotzdem gibt es Komplikationen nach der Implantation, die erhebliche Probleme in der Langzeit-Anwendung verursachen, wie z.B. Krankenhausaufenthalte, undichte Implantate oder sogar Tod des Patienten. Hierbei sind die am häufigsten auftretenden Probleme von PET die Biokompatibilität, die hohe thrombotische Aktivität und das damit verbundene Infektionsrisiko. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit neben der Verbesserung der Biokompatibilität besonderer Wert auf die Reduzierung von Infektionen bei PET Implantaten gelegt. Wir konnten die Anhaftung von Bakterien deutlich reduzieren, und die Biokompatibilität von gekräuselten kardiovaskulären Implantaten aus gewebtem und gestricktem PET verbessern. Unsere Ergebnisse zeigen eine effiziente Möglichkeit durch Oberflächenmodifikation von Implantaten die Biokompatibilität dieser zu verbessern und ihre Resistenz gegen Infektionen zu erhöhen. Im Kapitel 2 konnte die primäre bakteriellen Adhäsion bei Infektionen durch einen netzwerkartigen multifunktionalen Oberflächenüberzug aus einem neu synthetisierten amphiphilen SD-PHA-b-MPEO Diblockcopolymer minimiert werden. Das beschriebene vielseitig anwendbare Beschichtungsverfahren basiert hierbei auf den Abstoßungskräfte zwischen der Oberfläche und dem verwendeten Polymer, um die Flexibilität und Reißfähigkeit des gekräuselten PET Transplantates zu erhalten. Das oberflächenmodifizierte Implantat wurde mittels Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) und dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) charakterisiert. Das eingesetzte Polymer manifestierte geeignete Biokompatibilität gegenüber dem Zielgewebe, was mit L929 Mausfibroblasten nachgewiesen werden konnte. Wichtig ist, dass die negative Ladung und die hydrophoben Eigenschaften des Polymers die bakterizide Wirkung der Sulfadimethoxin-Einheit verstärkte. Diese wurde schon als signifikanter bakterieller Anti-Adhäsionseffekt für grampositive S. aureus, gramnegativen E. coli Bakterien, sowie für die zuvor aus einer Vene isolierten grampositiven S. epidermidis berichtet. Im Gegensatz zu früheren Studien konnte im Kapitel 3 die bakterielle Adhäsion enzymatisch mit Hilfe des bakteriellen lytischen Enzyms Lysozym verhindert werden. Somit konnte ein Implantat mit einer Breitspektrumresistentz gegen Bakterien entwickelt werden. Das Enzym Lysozym wurde kovalent auf dem PET Implantat durch die „end-point“ Methode immobilisiert und mittels FTIR- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) nachgewiesen werden. Die Aktivität des immobilisierten Lysozyms gegen M. lysodeikticus zeigte eine signifikante Reduktion im Vergleich zum freien Enzym. Allerdings reichte die Restaktivität aus, um die Adhäsion von grampositiven S. epidermidis und S. aureus Bakterien und in geringerem Maße von gramnegativen E. coli zu verringern. Der antiadhäsive Effekt war Bakterienzellen spezifisch, während keine signifikante Wirkung auf Adhäsion und Wachstum von L929 Zellen sichtbar war. Dies zeigte den Nutzen der verwendeten Strategie, um die anfängliche Adhäsion der Bakterien zu modulieren und die Implantat-assoziierte Infektion zu behindern. In Kapitel 4 wurden FITC-Dextran beladenen Poly-Milchsäure-Glykolsäure (PLGA)-Nanopartikel kovalent an zwei verschiedenen Herz-Kreislauf-Prothesen, nämlich gewebt gekräuselten PET und expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE, Teflon ®), immobilisiert. Vor der Immobilisierung wurde die Implantate Oberfläche durch Einführung einer Aminogruppe an der Oberfläche aktiviert. Die so oberflächenmodifizierten Implantate wurden vor der kovalenten Bindung der PLGA-Nanopartikel über ihre Carboxylgruppe durch einen elektrokinetische Analysator und FTIR charakterisiert. Das so hergestellte Modell wies eine homogene Monoschicht aus Nanopartikeln auf der Implantatoberfläche auf und zeigte eine zufriedenstellende Stabilität unter geeigneten menschenähnlichen kontinuierlichen Fließbedingungen innerhalb von 24 Stunden. Die erreichte Biokompatibilität der nanostrukturierte Implantatoberfläche ermöglicht bei Verwendung immobilisierter Nanopartikel an der Oberfläche einen vielversprechenden Therapieansatz für die lokale Arzneimittelabgabe, um die häufigsten Komplikationen nach dem Einsetzen des Implantates zu behandeln, und damit die Verträglichkeit langfristig zu verbessern. In Kapitel 5 wurde die thrombotische Aktivität eine Implantat durch die kovalente Immobilisierung von Heparin reduziert. Zusätzlich wurde die Verträglichkeit der PET Implantate gegenüber dem Zielgewebe durch Co-Immobilisierung von Kollagen verbessert. Heparin und Kollagen wurden mittels „end-point“ Methode an die vorher funktionalisierten PET Implantate immobilisiert und mittels FTIR und XPS charakterisiert. Die modifizierten Implantate zeigten eine signifikante biologische Aktivität in vitro unter menschenähnlichen Bedingungen, insbesondere die Verminderung der Thrombus- und Fibrinbildung. Die Co-Immobilisierung von Heparin und Kollagen ist entscheidend für die Adhäsion und das Wachstum der Zielgewebezellen. Zusätzlich konnte ein synergistischer Effekt zur Verminderung der Thrombozytenanlagerung nach 30 min unter kontinuierlichen Fließbedingungen, die einen starken Blutfluss simulierten, gezeigt werden. Folglich minimiert dieser Ansatz die thrombotische Aktivität der PET Implantate und die entsprechende Reaktion des Zielgewebes, wodurch eine rasche Besiedelung der Implantate mit Zellen des Zielgewebes erreicht wird, was für die Biokompatibilität erforderlich ist.