Improving the biocompatibility of stainless steel surfaces through silane polyethylene glycol coatings
Year: 2014
Type: dissertation
Abstract: In biological environments nonspecific accumulation of organic material to surfaces is often inevitable. Generally, it is also considered harmful as it, for instance, increases the risk of pathological contaminations in medical settings as well as the maintenance costs of industrial apparatuses. Thus, surfaces that are capable of preventing accumulation of biological substances, i.e. biofouling, would be of huge benefit for various practical applications. In addition, surfaces, that would simultaneously allow selective binding of certain types of molecules or particles, would furthermore broaden the scope of possibilities, for example, in developing biosensors and biotechnological equipment. \n \nIn this thesis stainless steel surfaces were coated with layers consisting of silane polyethylene glycol (silane-PEG) derivatives in order to examine the suitability of the silane-PEGs for stainless steel modification in terms of both the quality of the obtained surface coatings and achieved functionality. Stainless steel was selected because of its remarkable physical properties and its role as one of the most significant and diversely used metallic substance. Silane-PEGs were chosen because PEG chains are known to be able to prevent nonspecific adsorption and, additionally, the silane groups would provide an excellent way of coupling them covalently to the surfaces. The quality and characteristics of the modified surfaces were investigated with surface sensitive methods, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and contact angle measurements, and the silane-PEGs were found to form a thin and rather uniform layer on the surfaces. Also atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) were used for visual assessment. \n \nUnfortunately, though, the covalent bonding of the coating via the silane groups could not be confirmed. Nevertheless, the silane-PEGs attached firmly to the surfaces and were able to significantly reduce the nonspecific accumulation of both E. coli bacteria and two different kinds of protein, avidin and fibronectin. In any of the cases, though, complete prevention of attachment was not achieved. Additionally, the further selective functionalization of the silane-PEGs was shown to be possible by linking avidins to silane-PEG-biotin modified steel surfaces. The observations made from these experiments and the tested methods themselves provide a useful set of tools for future studies and form a solid foundation for further optimization and applicability of the coating techniques. \n \n \nTiivistelmä \n \nBiologisissa ympäristöissä orgaanisen materiaalin epäspesifistä kertymistä pintarakenteisiin on usein mahdotonta välttää. Tyypillisesti sitä pidetään haitallisena, koska se lisää esimerkiksi patologisten kontaminaatioiden riskiä lääketieteellisissä ympäristöissä sekä koneiden ja teollisuuden laitteiden huolto- ja korjaustarvetta. Siksi pinnat, jotka pystyisivät säätelemään biologisten aineiden kertymistä, olisivat erittäin hyödyllisiä lukuisissa käytännön sovelluksissa. Lisäksi pintarakenteet, jotka samanaikaisesti mahdollistaisivat tiettyjen molekyylien tai partikkeleiden hallitun sitoutumisen, edelleen laajentaisivat kyseisten pintamateriaalien käyttömahdollisuuksia esimerkiksi biosensorien ja bioteknologisten laitteiden kehityksessä. \n \nTässä Pro Gradu -tutkielmassa ruostumattomia teräspintoja pinnoitettiin silaanipolyetyleeniglykolijohdannaisilla (silaani-PEG), jotta voitaisiin arvioida silaani- PEG:ien soveltuvuutta teräspintojen muokkaukseen sekä tuotetun pinnoitteen laadun että myös saavutetun toiminnallisuuden kannalta. Ruostumaton teräs valittiin käytettäväksi materiaaliksi sen erinomaisten fysikaalisten ominaisuuksien sekä laajan käytettävyyden ja taloudellisen merkittävyyden vuoksi. Silaani-PEG:in puolestaan päädyttiin, koska PEG-ketjujen tiedetään pystyvän vähentämään epäspesifistä sitoutumista ja koska silaaniryhmien avulla pinnoite voitaisiin liittää teräspintaan kovalenttisilla sidoksilla. Muokattujen pintojen laatua ja ominaisuuksia tarkasteltiin pintaherkillä menetelmillä, röntgensädefotoelektronispektroskopialla (XPS) sekä kontaktikulmamittauksilla, ja silaani-PEG:ien havaittiinkin muodostavan ohuen ja melko yhtenäisen pinnoitteen. Lisäksi atomivoimamikroskopiaa (AFM) ja pyyhkäisyelektronimikroskopiaa (SEM) hyödynnettiin tulosten visuaalisessa arvioinnissa. \n \nValitettavasti pinnoitteen kovalenttista sitoutumista teräkseen silaaniryhmien kautta ei onnistuttu varmistamaan. Siitä huolimatta silaani-PEG:t tarttuivat pintoihin ja vähensivät merkittävästi sekä E. coli -bakteerien että kahden erilaisen proteiinin, avidiinin ja fibronektiinin, epäspesifistä kertymistä pinnoille. Täydellistä tarttumisen estymistä ei kuitenkaan havaittu yhdessäkään koejärjestelyistä. Lisäksi silane-PEG -muokattujen pintojen valikoiva jatkomuokkaus osoitettiin mahdolliseksi liittämällä avidiineja silaani-PEG-biotiini -pinnoitteisiin. Näistä kokeista saadut havainnot sekä tarkastellut menetelmät tarjoavat hyödyllisiä työkaluja jatkotutkimuksiin sekä muodostavat tukevan perustan pinnoitetekniikoiden jatko-optimoinnille sekä sovellettavuudelle.
Author: Ville Hynninen
Language: English
Subfield: Surfaces, Coatings and Films
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W2595961770