Nowadays, exceptional advantages of silk fibroin over synthetic and natural polymers have impelled the scientists to application of this biomaterial for tissue engineering purposes. Recently, we showed that embedding natural degummed silk fibers in regenerated Bombyx mori silk-based scaffold significantly increases the mechanical stiffness, while the porosity of the scaffolds remains the same. In the present study, we evaluated degradation rate, biocompatibility and regenerative properties of the regenerated 2% and 4% wt silk-based composite scaffolds with or without embedded natural degummed silk fibers within 90 days in both athymic nude and wild-type C57BL/6 mice through subcutaneous implantation. In all scaffolds, a suitable interconnected porous structure for cell penetration was seen under scanning electron microscopy. Compressive tests revealed a functional relationship between fiber reinforcement and compressive modulus. In addition, the fiber/fibroin composite scaffolds support cell attachment and proliferation. On days 30 to 90 after subcutaneous implantation, the retrieved tissues were examined via gross morphology, histopathology, immunofluorescence staining and reverse transcription-polymerase chain reaction as shown in Figure 1. Results showed that embedding the silk fibers within the matrix enhances the biodegradability of the matrix resulting in replacement of the composite scaffolds with the fresh connective tissue. Fortification of the composites with degummed fibers not only regulates the degradation profile but also increases the mechanical performance of the scaffolds. This report also confirmed that pore size and structure play an important role in the degradation rate. In conclusion, the findings of the present study narrate key role of additional surface area in improving in vitro and in vivo biological properties of the scaffolds and suggest the potential ability of these fabricated composite scaffolds for connective tissue regeneration.

The main objective of this work was to manufacture and to characterize detonation nanodiamond (ND) coatings with high biocompatibility and high drug loading capability. This was achieved via the integration of functionalized NDs into standard coating systems. The examination of cell proliferation and cell differentiation supported the biological assessment of the ND-enhanced coatings. As a first step, an osteogenic peptide was covalently grafted onto oxidized NDs. Accordingly, carboxylic acid derivativ is were generated on the as-received ND surface via an optimized heat treatment. The osteogenic peptide was tethered to the oxidized ND surface using a carbodiimide crosslinking method. The multifaceted ND preparation and disaggregation facilitated the powder handling during the conjugation process. Moreover, antibiotics were physisorbed onto as-received NDs to add antimicrobial properties. The correlated surface loading of NDs was determined using various absorption spectroscopy methods such as fluorescence and ultraviolet-visible spectroscopy. Peptide-conjugated NDs and NDs with untreated surface chemistry have been immobilized on different biomaterials using liquid phase deposition techniques. Herein, polyelectrolyte multilayers (PEMs) were utilized, among others, due to their self-organization and universal applicability for numerous substrates. In order to assess the cell-material interactions, human fetal osteoblasts (hFOBs) were cultured. The hFOBs exhibited a high cell proliferation, high cell density, and sound cellular adhesion, which proves the high biocompatibility of PEMs containing NDs. The present study represents a novel and reliable strategy towards a public approved composite coating. The potential of NDs as a biocompatible delivery platform and as a coating material for biomaterials has been demonstrated. This technology will be useful for the development and optimization of next-generation drug delivery vehicles, e.g. drug-eluting coatings, as well as for biomaterials in general.:Abstract i Kurzfassung iii List of Figures v List of Tables vi Abbreviations vii 1 Introduction and Objectives 1 1.1 Scope of the Thesis 3 2 Fundamentals 9 2.1 Overview of Biomaterials 9 2.2 Surface Modification Techniques of Biomaterials 11 2.3 Cellular Response to Tailored Biomaterials 13 2.4 Essential Features of Detonation Nanodiamonds 15 2.4.1 Biomedical Applications 16 2.4.2 Chemical Functionalization Pathways 19 2.4.3 Colloidal Stability 21 3 Materials and Methods 25 3.1 Wet Chemical and High-temperature Oxidation of Detonation Nanodiamonds 26 3.2 Disaggregation of Detonation Nanodiamond Agglomerates 26 3.3 Grafting of Biomolecules onto Detonation Nanodiamonds 27 3.4 Macroscopic Surface Modification of Biomaterials 28 3.5 Characterization Techniques 30 3.5.1 Morphology 30 3.5.2 Colloidal Stability and ND Crystal Structure 30 3.5.3 ND Surface Chemistry and Surface Loading 31 3.5.4 Alkaline Phosphatase Activity of Human Mesenchymal Stem Cells 31 3.5.5 Cell Viability and Immunofluorescence Staining of Human Fetal Osteoblasts 32 4 Surface Modification of Detonation Nanodiamonds 35 4.1 Comparison of Wet Chemical and High-temperature Oxidation 35 4.1.1 Absorption Spectroscopy 35 4.1.2 Crystal Structure of Dry-oxidized NDs 37 4.2 Chemisorption of Bone Morphogenetic Protein-2 Derived Peptide 38 4.3 Physisorption of Amoxicillin 42 4.4 Conclusions 44 5 Coatings Exhibiting Detonation Nanodiamonds 47 5.1 Colloidal Stability of Aqueous ND Suspensions 47 5.1.1 ND Agglomerate Size and Zeta Potential Measurement 47 5.1.2 Influence of pH and Ion Concentration 50 5.2 Electrophoretic Deposition and Covalent Attachmen 51 5.3 Polyelectrolyte Multilayers 55 5.4 Conclusions 56 6 Biological Assessment of Detonation Nanodiamond Coatings 59 6.1 Alkaline Phosphatase Activity of Mesenchymal Stem Cells 59 6.2 Cellular Response of Osteoblasts 61 6.2.1 Cell Morphology 61 6.2.2 Cell Adhesion . 64 6.2.3 Cell Viability 66 6.3 Conclusions 68 7 Summary and Outlook 71 Acknowledgements 77 References 79 Appendix 109 List of Publications 113 / Das Hauptziel der Arbeit bestand in der Herstellung sowie der Charakterisierung von Beschichtungen aus Detonationsnanodiamanten (ND), welche eine hohe Biokompatibilität und eine hoheWirkstoffbeladbarkeit aufweisen sollten. Dieses Ziel wurde durch die Integration funktionalisierter ND in herkömmliche Beschichtungssysteme erreicht. Die biologische Beurteilung von den ND-verstärkten Beschichtungen wurde durch Untersuchungen der Zellproliferation und der Zelldifferenzierung untermauert. Im ersten Schritt wurde ein Peptid mit knochenbildenden Eigenschaften kovalent an oxidierte ND angebunden. Mittels einer optimierten Wärmebehandlung wurden Carbonsäurederivate auf der ND-Oberfläche erzeugt. Anschließend wurde das Peptid unter Verwendung eines Carbodiimid-Vernetzungsmittels an die oxidierte ND-Oberfläche angebunden. Während des Konjugationsprozesses erleichterte die facettenreiche ND-aufbereitung und -disaggregation die Pulverhandhabung. Außerdem wurden Antibiotika auf den ND adsorbiert, um antimikrobielle Eigenschaften zu erzeugen. Die entsprechende Oberflächenbeladung der ND wurde unter Verwendung verschiedener absorptionsspektroskopischer Ansätze wie Fluoreszenz- und UV/Vis-Spektroskopie bestimmt. Biofunktionale und unbehandelte ND wurden über Flüssigphasenabscheidung auf verschiedene Biomaterialien aufgebracht. Hierbei wurden unter anderem Polyelektrolyt-Mehrschichtsysteme aufgrund ihrer Selbstorganisation und universellen Anwendbarkeit auf zahlreiche Substrate eingesetzt. Um die Zellantwort auf die mehrschichtigen ND zu bewerten, wurden humane Osteoblasten (hFOB) kultiviert. Die hFOB zeigten eine hohe Zellproliferation, eine hohe Zelldichte und eine hohe Zelladhäsion, was die hohe Biokompatibilität von mehrschichtigen ND belegt. Die vorliegende Arbeit stellt eine neuartige und zuverlässige Strategie für eine allgemein anerkannte Verbundbeschichtung dar. Das Potenzial von ND als biokompatible Medikamententräger und als Beschichtungsmaterial für Biomaterialien konnte aufgezeigt werden. Die dargestellte Technologie kann für die Entwicklung und Optimierung von Medikamententrägern der nächsten Generation, z. B. in arzneimittelfreisetzenden Beschichtungen, sowie für Biomaterialien im Allgemeinen verwendet werden.:Abstract i Kurzfassung iii List of Figures v List of Tables vi Abbreviations vii 1 Introduction and Objectives 1 1.1 Scope of the Thesis 3 2 Fundamentals 9 2.1 Overview of Biomaterials 9 2.2 Surface Modification Techniques of Biomaterials 11 2.3 Cellular Response to Tailored Biomaterials 13 2.4 Essential Features of Detonation Nanodiamonds 15 2.4.1 Biomedical Applications 16 2.4.2 Chemical Functionalization Pathways 19 2.4.3 Colloidal Stability 21 3 Materials and Methods 25 3.1 Wet Chemical and High-temperature Oxidation of Detonation Nanodiamonds 26 3.2 Disaggregation of Detonation Nanodiamond Agglomerates 26 3.3 Grafting of Biomolecules onto Detonation Nanodiamonds 27 3.4 Macroscopic Surface Modification of Biomaterials 28 3.5 Characterization Techniques 30 3.5.1 Morphology 30 3.5.2 Colloidal Stability and ND Crystal Structure 30 3.5.3 ND Surface Chemistry and Surface Loading 31 3.5.4 Alkaline Phosphatase Activity of Human Mesenchymal Stem Cells 31 3.5.5 Cell Viability and Immunofluorescence Staining of Human Fetal Osteoblasts 32 4 Surface Modification of Detonation Nanodiamonds 35 4.1 Comparison of Wet Chemical and High-temperature Oxidation 35 4.1.1 Absorption Spectroscopy 35 4.1.2 Crystal Structure of Dry-oxidized NDs 37 4.2 Chemisorption of Bone Morphogenetic Protein-2 Derived Peptide 38 4.3 Physisorption of Amoxicillin 42 4.4 Conclusions 44 5 Coatings Exhibiting Detonation Nanodiamonds 47 5.1 Colloidal Stability of Aqueous ND Suspensions 47 5.1.1 ND Agglomerate Size and Zeta Potential Measurement 47 5.1.2 Influence of pH and Ion Concentration 50 5.2 Electrophoretic Deposition and Covalent Attachmen 51 5.3 Polyelectrolyte Multilayers 55 5.4 Conclusions 56 6 Biological Assessment of Detonation Nanodiamond Coatings 59 6.1 Alkaline Phosphatase Activity of Mesenchymal Stem Cells 59 6.2 Cellular Response of Osteoblasts 61 6.2.1 Cell Morphology 61 6.2.2 Cell Adhesion . 64 6.2.3 Cell Viability 66 6.3 Conclusions 68 7 Summary and Outlook 71 Acknowledgements 77 References 79 Appendix 109 List of Publications 113

Die Behandlung von Dysgnathien ist das Kerngebiet der Kieferorthopädie. Neben der schonenden Korrektur der Zahnfehlstellung legen Patienten im Jugend- und Erwachsenenalter zunehmend Wert auf die Optik der Apparatur. Die Entwicklung ästhetischer Brackets und Bögen strebt auf, muss aber nach aktuellem Medizinproduktegesetz vor dem kommerziellen Einsatz in vitro und in vivo einer Biokompatibilitätsprüfung unterzogen werden. Ziel der vorliegenden Promotion war es, die Biokompatibilität ästhetischer Bögen an primären gingivalen Keratinozyten (HGK) sowie primären gingivalen Fibroblasten (HGF) humanen Ursprungs zu untersuchen. Damit sollte sich die Arbeit von bisher veröffentlichten in-vitro-Studien mit L929-Zellen abheben. Die Zelllinien wurden mit den jeweiligen beschichteten und unbeschichteten Drähten verschiedener Hersteller 11 Tage inkubiert und anschließend die Zellproliferation und die Zytotoxizität analysiert. Zusätzlich wurde eine drahtlose Vergleichslinie und eine Gruppe primärer Gingivafibroblasten 3 Tage als Kurzzeitstudie untersucht. Für die Quantifizierung der vitalen und avitalen Zellen wurde der Cytotox-Glo™-Assay verwendet. Lichtmikroskopische Untersuchungen sollten sicherstellen, dass eine gesunde Zellmorphologie vorliegt und die Zellen eine gute Adhäsion zur Probe aufweisen. Sowohl bei den Keratinozyten als auch bei den Fibroblasten traten signifikante Steigerungen der Zytotoxizität und der Zellproliferation häufig sowohl beim verblendeten als auch beim unverblendeten Probendraht eines Herstellers auf, unabhängig mit welchem Material verblendet wurde. Eine gesteigerte Zytotoxiztiät bei gleichbleibender Zellproliferation im Vergleich zur Kontrollgruppe spricht für einen negativen Einfluss der Drahtprobe auf die Biokompatibilität. Dieses Ergebnis fand sich bei den HGK bei den sowohl verblendeten als auch unverblendeten Drähten von zwei Herstellern (WCO, TPO). Auch bei den Fibroblasten fielen die Drähte von WCO sowie TPO mit einer gesteigerten Zytotoxizität und sogar signifikant niedrigerer Zellproliferation nach 3 Tagen Inkubation auf, was sich nach 11 Tagen allerdings änderte. Ab da waren die Zytotoxiztität und die Zellproliferation gesteigert. Eine erhöhte Zytotoxizität bei gleichbleibender Zellproliferation zeigten die Hersteller Forestadent, Ortho-Technology und Dentalline nach 3 Tagen; Dentalline mit seinen verblendeten Drähten auch bis nach 11 Tagen Inkubation. Hieraus kann geschlussfolgert werden, dass die Kunststoffverblendung von Dentalline sowohl kurz- als auch längerfristig einen negativen Einfluss auf die Fibroblasten hat. Positiv fiel hingegen der Hersteller GC-Orthodontics mit seinem rhodinierten sowie unverblendeten Draht auf. Sowohl die HGK als auch die HGF zeigten eine gute Biokompatibilität. Qualitativ zeigte sich bei den Keratinozyten im Lichtmikroskop ein mehr oder weniger dichter Zellrasen an allen Drahtproben. Es gab nur wenige Unterschiede bezüglich der Hersteller oder der Art der Verblendung. Bei den Fibroblasten zeigten sich klarere Unterschiede, welche sich teilweise mit den quantitativen Ergebnissen deckten. Bei den beschichteten Drähten von American-Orthodontics, Teledenta, Ortho-Technology und Dentalline fand sich kein konfluenter Zellrasen, ebenso beim unverblendeten NiTi-Draht von Ortho-Technology sowie World-Class-Orthodontics. Ein dichter Zellrasen konnte hingegen an beiden Drähten des Herstellers GCOrthodontics detecktiert werden. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass alle Verblendmaterialien biokompatibel sind. Bei der Wahl des zu verwendenden Bogens können sowohl Epoxyresin-, Teflonals auch andere Kunststoffbeschichtungen empfohlen werden. Dagegen werden die herstellerspezifischen Unterschiede bezüglich der Biokompatibilität deutlich. Als Grund kann das herstellereigene Nickel-Titan-Grundgerüst vermutet werden. Die Zellen kamen damit sowohl bei den unbeschichteten als auch bei den beschichteten Drähten in Berührung, da die meißten Drähte nur einseitig beschichtet waren.:Abbildungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Ästhetik in der Kieferorthopädie 1.2 Beschichtungsmaterialien ästhetischer Bögen 1.2.1 Rhodium 1.2.2 Kunststoffbeschichtungen 1.2.2.1 Polytetrafluorethylen 1.2.2.2 Epoxyresin 1.3 Untersuchung der Bioverträglichkeit 1.4 Zielstellung der Studie 2 Material und Methode 2.1 Material 2.1.1 Vorbereitende Maßnahmen und allgemeine Ergänzungen 2.1.1.1 Chemikalien und Gase 2.1.1.2 Medium und Puffer 2.1.1.3 Fertigsysteme 2.1.1.4 Geräte und Hilfsmittel 2.1.1.5 Verbrauchsmaterial 2.1.2 Kieferorthopädische Drähte 2.1.3 Zelltypen 2.2 Methode 2.2.1 Versuchsvorbereitung 2.2.2 Auszählen der Zellen 2.2.3 Aufbereitung der Zellen nach der Inkubation 2.2.4 Statistische Auswertung der ermittelten Zellzahlen 3 Ergebnisse 3.1 Zytotoxizitätsrate 3.1.1 Zytotoxizitätsrate der primären Gingivaepithelzellen nach 11 Tagen Inkubation 3.1.2 Zytotoxizitätsrate der primären Gingivafibroblasten nach 3 Tagen Inkubation 3.1.3 Zytotoxizitätsrate der primären Gingivafibroblasten nach 11 Tagen Inkubation 3.2 Proliferationsrate 3.2.1 Proliferationsrate der primären Gingivaepithelzellen nach 11 Tagen Inkubation 3.2.2 Proliferationsrate der primären Gingivafibroblasten nach 3 Tagen Inkubation 3.2.3 Proliferationsrate der primären Gingivafibroblasten nach 11 Tagen Inkubation 3.3 Qualitative Beurteilung der Zelladhärenz an allen untersuchten Bögen nach 11 Tagen mittels Lichtmikroskop 3.3.1 Zelladhärenz der primären Gingivaepithelzellen 3.3.2 Zelladhärenz der primären Gingivafibroblasten 4 Diskussion 5 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben

Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff weist ausgezeichnete thermische, mechanische und chemische Eigenschaften auf. Aufgrund seiner Faserarchitektur und Porosität zeigt dieser eine mit metallischen und polymeren Werkstoffen vergleichbar hohe Schadenstoleranz. Die Herstellung komplexer Leichtbaustrukturen aus C/C-Verbunden ist jedoch zeit- und kostenintensiv. Ein neuer Ansatz stellt die Integration geometrisch simpler C/C-Verbunde in komplexe, problemlos zu realisierende polymere Strukturen dar. Ein derartiges Werkstoffkonzept vereint die Vorteile seiner Komponenten in einem ganzheitlichen Werkstoffsystem. Einen Nachteil stellt jedoch die geringe wechselseitige Adhäsion seiner Komponenten dar. Die Innovation dieses Beitrags stellt sich einerseits der Herausforderung die mechanischen Eigenschaften der C/C-Verbunde in Abhängigkeit der intrinsischen Porosität zu beeinflussen. Dies geschieht durch Veränderung der chemischen und physikalischen Vernetzungsbedingungen des Matrixprecursors. Andererseits soll die dadurch herrührende inhärente Porosität zur Vergrößerung der wirksamen äußeren Oberfläche und zur gezielten Verbesserung der Adhäsion zum Polymer führen. Es wird ein Kohlenstoffprecursor mit variabler offener Porosität entwickelt und daraus neuartige verschiedenporöse C/C-Verbunde hergestellt und untersucht. Im Anschluss werden die verschiedenporösen C/C-Verbunde mit ausgewählten Polymeren unter definierten Konsolidierungsparametern thermisch gefügt und deren wechselseitiges Adhäsionsverhalten bewertet. / Fibre-reinforced ceramic matrix composite materials are characterized by excellent thermal, mechanical and chemical properties. Their high tolerance regarding damaging is a result of the intrinsic fibre structure and porosity. Due to this fact, they offer outstanding dampening characteristics, as is the case for polymeric materials. The production of complex structures is very time consuming and expensive. The integration of simple geometric ceramic composite materials in complex polymeric structures is regarded as a new approach for the production of these materials. These easy-to-produce hybrid ceramic/polymer compound materials combine the advantages of ceramics and polymers in one material system. However, one main disadvantage of these materials is the mutual adhesion of the two components. This article deals with the challenge of the manipulation of the mechanical properties of the C/C composites depending on the intrinsic porosity. This is realized by altering the physical and chemical wetting/coating conditions of the matrix precursor. In addition, the inherent porosity is supposed to increase the effective outer surface and specifically improve the adhesion. For this purpose, a novel carbon precursor with an adjustable open porosity is developed and investigated further. During this different versions of the CFRP and various C/C materials of different production steps are produced and examined. The variation of the precursors is supposed to take place in the polymeric state. The different C/C composites are subsequently thermally bonded with selected polymers and defined consolidation parameters. The mutual joining and connection behaviour is investigated further.

Medizinprodukte dürfen den Patienten nicht aufgrund der verwendeten Werkstoffe oder Herstellungsprozesse schädigen. Dafür muss die biologische Sicherheit (auch: Biokompatibilität) gemäß ISO 10993-1 beurteilt werden. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Beeinträchtigung der biologischen Sicherheit durch den Spritzgießprozess. Der Spritzgießprozess kann durch verschiedene Spritzgießprozessparameter, z. B. Verarbeitungstemperaturen und Verweilzeiten, zur Degradation der Polymermoleküle führen. Es wurde untersucht inwieweit die Bildung von Degradationsprodukten von der Spritzgießverarbeitung abhängt und wiederum die Zytotoxizität des Endproduktes beeinflusst. Dieser Zusammenhang wurde mit den Methoden der OIT (Oxidationsinduktionstemperatur), Zytotoxizität und chemischen Charakterisierung der Werkstoffe nachgewiesen. Es zeigte sich, dass bei bestimmten Werkstoffen die Spritzgießprozessparameter durch Bildung toxischer Degradationsprodukte einen Einfluss auf das zytotoxische Potential des Endproduktes haben können. Andere Werkstoffe wiesen trotz nachgewiesener polymerer Degradation keine Beeinflussung der biologischen Sicherheit auf.:1 ZUSAMMENFASSUNG 1.1 Zusammenfassung 1.2 Summary 2 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG 2.1 Motivation zur Arbeit 2.2 Thesen der Arbeit und experimentelle Beweisführung 3 BIOLOGISCHE SICHERHEIT VON MEDIZINPRODUKTEN 3.1 Allgemeine Grundsätze zur Beurteilung der biologischen Sicherheit 3.1.1 Bewertung der biologischen Sicherheit innerhalb eines Risikomanagementsystems 3.1.2 Chemische Charakterisierung als Bestandteil der biologischen Beurteilung 3.2 Methoden zur Beurteilung der biologischen Sicherheit 3.2.1 Zytotoxizitäts-Test an Extrakten mittels XTT-Test 3.2.2 FTIR und thermogravimetrisch gekoppelte FTIR (TG-FTIR) 3.2.3 Chemische Charakterisierung mittels GC-MS 3.2.4 Formaldehydgehaltbestimmung mittels HPLC 4 POLYMERE DEGRADATION WÄHREND DER SPRITZGIEßVERARBEITUNG 4.1 Degradationsmechanismen von Polymeren 4.2 Einfluss des Spritzgießprozesses auf die Degradation 4.3 Auswirkungen der Degradation auf die Werkstoffeigenschaften 4.4 Methoden der Kunststoffanalytik zum Nachweis der Degradation 4.4.1 Thermogravimetrie (TG) 4.4.2 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 4.4.3 Oxidationsinduktionstemperatur (OIT) 5 VERWENDETE WERKSTOFFE UND PROBEKÖRPER 5.1 Anforderungen an Medical Grade Plastics 5.2 Ausgewählte Medical Grade Plastics 5.2.1 SBC 5.2.2 PC 5.2.3 POM 5.2.4 MABS 5.3 Probekörpergeometrie und Verarbeitungsparameter 6 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 6.1 Ermittlung der Stichprobengröße für die experimentelle Versuchsdurchführung 6.2 Untersuchung der polymeren Degradation durch den Spritzgießprozess 6.2.1 DSC 6.2.2 TG 6.2.3 OIT 6.3 Statistische Methode zur Ermittlung der signifikanten Einflussfaktoren des Spritzgießprozesses auf die Degradation 6.3.1 Statistische Versuchsplanung in der Spritzgießtechnik 6.3.2 Ermittlung der Einflussfaktoren von SBC 6.3.3 Ermittlung der Einflussfaktoren von MABS 6.4 Prüfung der Beeinflussung von Degradation auf die Zytotoxizität 6.4.1 Qualitative Bestimmung der Zytotoxizität mittels Beurteilung der Zellvitalität 6.4.2 Quantitative Bestimmung der Zytotoxizität mittels XTT-Test 6.5 Chemische Charakterisierung zur Bewertung der biologischen Sicherheit 6.5.1 Bestimmung der Degradationsprodukte mittels FTIR und TG-FTIR 6.5.2 Chemische Charakterisierung der herauslösbaren Substanzen mittels GC-MS 6.5.3 Bestimmung des Formaldehydgehalts mittels HPLC 7 DISKUSSION UND BEWERTUNG DER AUFGESTELLTEN THESEN UND DER DURCHGEFÜHRTEN UNTERSUCHUNGEN 7.1 Bewertung der Genauigkeit der verwendeten Prüfmethoden 7.2 Bewertung des Einflusses der Spritzgießverarbeitung auf Werkstoffveränderungen der untersuchten Kunststoffe 7.3 Diskussion zur Wechselwirkung zwischen der Spritzgießverarbeitung, polymeren Degradation und biologischen Sicherheit 8 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE MIT HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN FÜR HERSTELLER VON MEDIZINPRODUKTEN LITERATUR ABKÜRZUNGEN FORMELZEICHEN ANHANG A ANHANG B ANHANG C ANHANG D / Medical devices must not harm the patient due to the materials or manufacturing processes used. For this purpose, the biological safety (also: biocompatibility) must be assessed according to ISO 10993-1. The aim of this work was to investigate the impairment of biological safety by the injection molding process. The injection molding process can lead to degradation of the polymer molecules due to various injection molding process parameters, e.g. processing temperatures and residence times. It was investigated to what extent the formation of degradation products depends on the injection molding process and in turn influences the cytotoxicity of the final product. This correlation was demonstrated using methods of OIT (oxidation induction temperature), cytotoxicity and chemical characterization of the materials. It was shown that for certain materials the injection molding process parameters can have an influence on the cytotoxic potential of the final product by the formation of toxic degradation products. Other materials showed no effect on biological safety despite proven polymer degradation.:1 ZUSAMMENFASSUNG 1.1 Zusammenfassung 1.2 Summary 2 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG 2.1 Motivation zur Arbeit 2.2 Thesen der Arbeit und experimentelle Beweisführung 3 BIOLOGISCHE SICHERHEIT VON MEDIZINPRODUKTEN 3.1 Allgemeine Grundsätze zur Beurteilung der biologischen Sicherheit 3.1.1 Bewertung der biologischen Sicherheit innerhalb eines Risikomanagementsystems 3.1.2 Chemische Charakterisierung als Bestandteil der biologischen Beurteilung 3.2 Methoden zur Beurteilung der biologischen Sicherheit 3.2.1 Zytotoxizitäts-Test an Extrakten mittels XTT-Test 3.2.2 FTIR und thermogravimetrisch gekoppelte FTIR (TG-FTIR) 3.2.3 Chemische Charakterisierung mittels GC-MS 3.2.4 Formaldehydgehaltbestimmung mittels HPLC 4 POLYMERE DEGRADATION WÄHREND DER SPRITZGIEßVERARBEITUNG 4.1 Degradationsmechanismen von Polymeren 4.2 Einfluss des Spritzgießprozesses auf die Degradation 4.3 Auswirkungen der Degradation auf die Werkstoffeigenschaften 4.4 Methoden der Kunststoffanalytik zum Nachweis der Degradation 4.4.1 Thermogravimetrie (TG) 4.4.2 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 4.4.3 Oxidationsinduktionstemperatur (OIT) 5 VERWENDETE WERKSTOFFE UND PROBEKÖRPER 5.1 Anforderungen an Medical Grade Plastics 5.2 Ausgewählte Medical Grade Plastics 5.2.1 SBC 5.2.2 PC 5.2.3 POM 5.2.4 MABS 5.3 Probekörpergeometrie und Verarbeitungsparameter 6 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 6.1 Ermittlung der Stichprobengröße für die experimentelle Versuchsdurchführung 6.2 Untersuchung der polymeren Degradation durch den Spritzgießprozess 6.2.1 DSC 6.2.2 TG 6.2.3 OIT 6.3 Statistische Methode zur Ermittlung der signifikanten Einflussfaktoren des Spritzgießprozesses auf die Degradation 6.3.1 Statistische Versuchsplanung in der Spritzgießtechnik 6.3.2 Ermittlung der Einflussfaktoren von SBC 6.3.3 Ermittlung der Einflussfaktoren von MABS 6.4 Prüfung der Beeinflussung von Degradation auf die Zytotoxizität 6.4.1 Qualitative Bestimmung der Zytotoxizität mittels Beurteilung der Zellvitalität 6.4.2 Quantitative Bestimmung der Zytotoxizität mittels XTT-Test 6.5 Chemische Charakterisierung zur Bewertung der biologischen Sicherheit 6.5.1 Bestimmung der Degradationsprodukte mittels FTIR und TG-FTIR 6.5.2 Chemische Charakterisierung der herauslösbaren Substanzen mittels GC-MS 6.5.3 Bestimmung des Formaldehydgehalts mittels HPLC 7 DISKUSSION UND BEWERTUNG DER AUFGESTELLTEN THESEN UND DER DURCHGEFÜHRTEN UNTERSUCHUNGEN 7.1 Bewertung der Genauigkeit der verwendeten Prüfmethoden 7.2 Bewertung des Einflusses der Spritzgießverarbeitung auf Werkstoffveränderungen der untersuchten Kunststoffe 7.3 Diskussion zur Wechselwirkung zwischen der Spritzgießverarbeitung, polymeren Degradation und biologischen Sicherheit 8 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE MIT HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN FÜR HERSTELLER VON MEDIZINPRODUKTEN LITERATUR ABKÜRZUNGEN FORMELZEICHEN ANHANG A ANHANG B ANHANG C ANHANG D

Die Entwicklung und Erprobung von metallischen Implantatwerkstoffen mit biologischen Beschichtungen für den Einsatz im menschlichen Knochen verlangt, neben der Untersuchung grundlegender zellbiologischer Wechselwirkungen, eine ganzheitliche Betrachtung ihrer Wirkungsweise im lebenden Organismus. Die vorwiegend angewandte Methode zur Quantifizierung des Potentials von Biofunktionalisierungen metallischer Implantate ist dabei die histologische Auswertung. Diese stützt sich aber auf Informationen aus nur wenigen und eher zufälligen Schnittlagen im Probenvolumen, was mit einer hohen Anzahl an Tierexperimenten ausgeglichen wird. Mit der Mikrocomputertomographie steht neben der klassischen Histologie eine zerstörungsfreie Methode zur Verfügung, welche eine detaillierte dreidimensionale Darstellung des neugebildeten Knochengewebes ermöglicht. Die Abbildungsqualität des mineralischen Knochengewebes um Titanimplantate, als Grundlage für eine Vergleichbarkeit von Tomographie und Histologie, wurde anhand von drei Mikrofokus-Computertomographen und einem Synchrotron-Computertomographen am HASYLAB untersucht. Die tomographische Untersuchung von Hartgewebe einschließlich metallischer Implantate zeigte mit Hilfe von Synchrotronstrahlung die beste qualitative Übereinstimmung zur histologischen Bildgebung. Für die Quantifizierung der Knochenneubildung wurden interaktive Analysemodelle erarbeitet, welche eine vereinheitlichte Auswertung von histologischen und tomographischen Informationen erlaubt. Auf Grundlage der entwickelten Analyseprozeduren war es erstmals möglich, die statistische Belastbarkeit der Ergebnisse aus der histologischen und tomographischen Analyse zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich der Herausstellung von Unterschieden bei der Osseointegration modifizierter Titanimplantate mit beiden Methoden ähnliche Ergebnistrends gefunden werden. Eine Signifikanz (p < 0,01) der Unterschiede bei der Knochenneubildung konnte jedoch ausschließlich mit der mikrotomographischen Analyse herausgestellt werden. Die Ergebnisse bei der Darstellung und Analyse des mineralischen Gewebes durch die Nutzung der Synchrotrontomographie gehen weit über die Grenzen der histologischen Untersuchungen hinaus. Durch den dreidimensionalen Charakter der Informationen ergeben sich dabei neue Bewertungsmodelle zur Beurteilung der Osseointegration von biofunktionalisierten Implantaten. Die mikrotomographische Analyse führt gegenüber der histologischen Auswertung durch die geringe Irrtumswahrscheinlichkeit der Ergebnisse bei deutlich verminderter Probenanzahl zu einer erheblichen Verringerung von Tierversuchen.

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Background: In addition to conventional chemotherapeutics, nucleic acid-based therapeutics like antisense oligodeoxynucleotides (AS-ODN) represent a novel approach for the treatment of bladder cancer (BCa). An efcient delivery of AS-ODN to the urothelium and then into cancer cells might be achieved by the local application of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). In the present study, pristine MWCNT and MWCNT functionalized with hydrophilic moieties were synthesized and then investigated regarding their physicochemical characteristics, dispersibility, biocompatibility, cellular uptake and mucoadhesive properties. Finally, their binding capacity for AS-ODN via hybridization to carrier strand oligodeoxynucleotides (CS-ODN), which were either non-covalently adsorbed or covalently bound to the diferent MWCNT types, was evaluated. Results: Pristine MWCNT were successfully functionalized with hydrophilic moieties (MWCNT-OH, -COOH, -NH2, -SH), which led to an improved dispersibility and an enhanced dispersion stability. A viability assay revealed that MWCNTOH, MWCNT-NH2 and MWCNT-SH were most biocompatible. All MWCNT were internalized by BCa cells, whereupon the highest uptake was observed for MWCNT-OH with 40% of the cells showing an engulfment. Furthermore, all types of MWCNT could adhere to the urothelium of explanted mouse bladders, but the amount of the covered urothelial area was with 2–7% rather low. As indicated by fuorescence measurements, it was possible to attach CS-ODN by adsorption and covalent binding to functionalized MWCNT. Adsorption of CS-ODN to pristine MWCNT, MWCNT-COOH and MWCNT-NH2 as well as covalent coupling to MWCNT-NH2 and MWCNT-SH resulted in the best binding capacity and stability. Subsequently, therapeutic AS-ODN could be hybridized to and reversibly released from the CS-ODN coupled via both strategies to the functionalized MWCNT. The release of AS-ODN at experimental conditions (80 °C, bufer) was most efective from CS-ODN adsorbed to MWCNT-OH and MWCNT-NH2 as well as from CS-ODN covalently attached to MWCNT-COOH, MWCNT-NH2 and MWCNT-SH. Furthermore, we could exemplarily demonstrate that AS-ODN could be released following hybridization to CS-ODN adsorbed to MWCNT-OH at physiological settings (37 °C, urine). Conclusions: In conclusion, functionalized MWCNT might be used as nanotransporters in antisense therapy for the local treatment of BCa.

Background: In addition to conventional chemotherapeutics, nucleic acid-based therapeutics like antisense oligodeoxynucleotides (AS-ODN) represent a novel approach for the treatment of bladder cancer (BCa). An efcient delivery of AS-ODN to the urothelium and then into cancer cells might be achieved by the local application of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). In the present study, pristine MWCNT and MWCNT functionalized with hydrophilic moieties were synthesized and then investigated regarding their physicochemical characteristics, dispersibility, biocompatibility, cellular uptake and mucoadhesive properties. Finally, their binding capacity for AS-ODN via hybridization to carrier strand oligodeoxynucleotides (CS-ODN), which were either non-covalently adsorbed or covalently bound to the diferent MWCNT types, was evaluated. Results: Pristine MWCNT were successfully functionalized with hydrophilic moieties (MWCNT-OH, -COOH, -NH2, -SH), which led to an improved dispersibility and an enhanced dispersion stability. A viability assay revealed that MWCNTOH, MWCNT-NH2 and MWCNT-SH were most biocompatible. All MWCNT were internalized by BCa cells, whereupon the highest uptake was observed for MWCNT-OH with 40% of the cells showing an engulfment. Furthermore, all types of MWCNT could adhere to the urothelium of explanted mouse bladders, but the amount of the covered urothelial area was with 2–7% rather low. As indicated by fuorescence measurements, it was possible to attach CS-ODN by adsorption and covalent binding to functionalized MWCNT. Adsorption of CS-ODN to pristine MWCNT, MWCNT-COOH and MWCNT-NH2 as well as covalent coupling to MWCNT-NH2 and MWCNT-SH resulted in the best binding capacity and stability. Subsequently, therapeutic AS-ODN could be hybridized to and reversibly released from the CS-ODN coupled via both strategies to the functionalized MWCNT. The release of AS-ODN at experimental conditions (80 °C, bufer) was most efective from CS-ODN adsorbed to MWCNT-OH and MWCNT-NH2 as well as from CS-ODN covalently attached to MWCNT-COOH, MWCNT-NH2 and MWCNT-SH. Furthermore, we could exemplarily demonstrate that AS-ODN could be released following hybridization to CS-ODN adsorbed to MWCNT-OH at physiological settings (37 °C, urine). Conclusions: In conclusion, functionalized MWCNT might be used as nanotransporters in antisense therapy for the local treatment of BCa.

Die Entwicklung und Erprobung von metallischen Implantatwerkstoffen mit biologischen Beschichtungen für den Einsatz im menschlichen Knochen verlangt, neben der Untersuchung grundlegender zellbiologischer Wechselwirkungen, eine ganzheitliche Betrachtung ihrer Wirkungsweise im lebenden Organismus. Die vorwiegend angewandte Methode zur Quantifizierung des Potentials von Biofunktionalisierungen metallischer Implantate ist dabei die histologische Auswertung. Diese stützt sich aber auf Informationen aus nur wenigen und eher zufälligen Schnittlagen im Probenvolumen, was mit einer hohen Anzahl an Tierexperimenten ausgeglichen wird. Mit der Mikrocomputertomographie steht neben der klassischen Histologie eine zerstörungsfreie Methode zur Verfügung, welche eine detaillierte dreidimensionale Darstellung des neugebildeten Knochengewebes ermöglicht. Die Abbildungsqualität des mineralischen Knochengewebes um Titanimplantate, als Grundlage für eine Vergleichbarkeit von Tomographie und Histologie, wurde anhand von drei Mikrofokus-Computertomographen und einem Synchrotron-Computertomographen am HASYLAB untersucht. Die tomographische Untersuchung von Hartgewebe einschließlich metallischer Implantate zeigte mit Hilfe von Synchrotronstrahlung die beste qualitative Übereinstimmung zur histologischen Bildgebung. Für die Quantifizierung der Knochenneubildung wurden interaktive Analysemodelle erarbeitet, welche eine vereinheitlichte Auswertung von histologischen und tomographischen Informationen erlaubt. Auf Grundlage der entwickelten Analyseprozeduren war es erstmals möglich, die statistische Belastbarkeit der Ergebnisse aus der histologischen und tomographischen Analyse zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich der Herausstellung von Unterschieden bei der Osseointegration modifizierter Titanimplantate mit beiden Methoden ähnliche Ergebnistrends gefunden werden. Eine Signifikanz (p < 0,01) der Unterschiede bei der Knochenneubildung konnte jedoch ausschließlich mit der mikrotomographischen Analyse herausgestellt werden. Die Ergebnisse bei der Darstellung und Analyse des mineralischen Gewebes durch die Nutzung der Synchrotrontomographie gehen weit über die Grenzen der histologischen Untersuchungen hinaus. Durch den dreidimensionalen Charakter der Informationen ergeben sich dabei neue Bewertungsmodelle zur Beurteilung der Osseointegration von biofunktionalisierten Implantaten. Die mikrotomographische Analyse führt gegenüber der histologischen Auswertung durch die geringe Irrtumswahrscheinlichkeit der Ergebnisse bei deutlich verminderter Probenanzahl zu einer erheblichen Verringerung von Tierversuchen.