Beschichtung von Polyimid- und Silikonoberflächen mit photochemisch reaktiven Polymeren zur Generierung von zellabweisenden Elektrodenoberflächen bei neuronalen Implantaten

Hadler, Christoph Peter

Unerwünschtes Gewebewachstum auf den Elektroden neuronaler Implantate kann die Leistungsfähigkeit sowie den dauerhaften Einsatz dieser Implantate entscheidend beeinträchtigen. Ein Ansatz, um eine Reduzierung bzw. Unterdrückung des Gewebewachstums auf diesen Elektroden zu erzielen, stellt die Generierung einer zelladhäsions- und damit zellwachstumsinhibierenden Elektrodenträgeroberfläche dar. Um eine derartige Oberflächenmodifikation erreichen zu können, wurde in dieser Arbeit als Strategie die Beschichtung des Elektrodenträgers mit hydrophilen Polymeren verfolgt. Hierfür wurde ein photochemisches Beschichtungssystem entwickelt, durch das entsprechende Polymerbeschichtungen auf den Oberflächen von Polyimid- und Silikonsubstraten erzeugt werden können, welche häufig als Trägermaterial von Elektroden neuronaler Implantate verwendet werden. Das konzipierte Beschichtungssystem umfasst dabei eine UV-Licht-induzierte Anbindung und Vernetzung von photochemisch reaktiven Polymeren auf diesen Substratmaterialien, wobei als photoaktive Spezies in den Polymeren Arylazidgruppen dienten. Für die Herstellung der Arylazidgruppen-enthaltenden Polymere wurde im Rahmen des vorgeschlagenen Beschichtungssystems eine modulare und zudem vielseitige Synthesestrategie entwickelt, durch die einerseits Copolymere mit Arylazidgruppen und zum anderen ein entsprechend funktionalisiertes Chitosan-Derivat synthetisiert wurden. Sowohl auf Polyimid- als auch auf Silikonoberflächen konnte anhand verschiedener analytischer Methoden die Erzeugung von stabilen Polymerbeschichtungen zweifelsfrei nachgewiesen werden. Dabei wurde deutlich gemacht, dass über das Beschichtungssystem die chemische Beschaffenheit und somit die Eigenschaften der betreffenden Substratoberflächen gesteuert werden können, was durch eine Variation der Hydrophilie bei den beschichteten Polyimid- und Silikonoberflächen gezeigt wurde. Um den Effekt der Polymerbeschichtungen auf die Adhäsion und das Wachstum von Zellen zu bewerten, wurde repräsentativ das Verhalten von murinen Fibroblasten auf beschichteten und unbehandelten Oberflächen des Polyimids Kapton® untersucht. Für die Beschichtung mit einem N,N-Dimethylacrylamid-basierenden Copolymer konnten dabei eindeutig antiadhäsive Eigenschaften gegenüber Fibroblasten und für die Beschichtung mit dem Chitosan-Derivat eine deutlich reduzierende Wirkung auf die Adhäsion und das Wachstum dieses Zelltyps im Vergleich zur nicht-beschichteten Kapton®-Oberfläche festgestellt werden.

Undesirable tissue growth on the electrodes of neuronal implants can crucially compromise the performance as well as the durable usage of these implants. One approach to reduce or suppress the tissue growth on these electrodes is the generation of a cell-repellent and thus cell growth inhibiting surface of the electrode carrier. In this work the coating of the electrode carrier with hydrophilic polymers is suggested to achieve such a surface modification. Therefore, a photochemical coating system was developed that enables the creation of polymer coatings of this type onto the surface of polyimide and silicone substrates which are commonly used as electrode carrier in neuronal implants. The designed coating system comprises an UV-light induced attachment and crosslinking of photochemically reactive polymers on the substrate materials considered, whereby the arylazide group was chosen as photoactive species in the polymers. For the preparation of the arylazide group containing polymers a modular and versatile synthesis strategy was developed as part of the presented coating system. According to this synthesis concept several copolymers with arylazide groups and a correspondingly functionalized chitosan derivative were obtained. The generation of stable polymer coatings on both the polyimide and the silicone surfaces could be clearly proven by different analytical methods. The coating system makes it possible to adjust the chemical composition and thus the properties of the regarding surface, as demonstrated by variation of the hydrophilicity of the polymer coated polyimide and silicone surfaces. Exemplarily, the behavior of murine fibroblasts cultivated on polymer coated and untreated surfaces of the polyimide Kapton® was investigated to evaluate the effect of the polymer coatings on the adhesion and growth of cells. Clearly anti-adhesive properties against fibroblasts were determined for the coating with a copolymer based on N,N-dimethylacrylamide and a significantly reducing effect on the adhesion and growth of this cell type was measured for the coating with the chitosan derivative related to the untreated Kapton® surface.

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Hadler, Christoph: Beschichtung von Polyimid- und Silikonoberflächen mit photochemisch reaktiven Polymeren zur Generierung von zellabweisenden Elektrodenoberflächen bei neuronalen Implantaten. 2019.

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