Biomaterial surfaces differentially adhesive to microbes and mammalian cells

Infecties zijn de belangrijkste oorzaak voor het falen van een implantaat of apparaat gemaakt van een biomateriaal. Het doel van dit proefschrift was het onderzoeken van het mogelijk gunstige effect van ruimtelijk gemodificeerde, anti-hechting polyethyleen glycol (PEG)-microgel patronen op de hechting van micro-organismen, de hechting en spreiding van weefselcellen en, uiteindelijk, de uitkomst van ‘the race for the surface’, om op die manier de kans op een biomateriaal-geassocieerde infectie te verlagen. Om multifunctionele oppervlakken te ontwikkelen hebben we elektronenbundel lithografie gebruikt om nauwgezette PEG-microgel patronen te creëren om het gedrag van meerdere biologische componenten met het interface te beheersen. Vervolgens hebben we een oppervlak gecreëerd met anti-hechting microgel patronen op een oppervlak welke normaliter de hechting van cellen toelaat, waarmee we succesvol waren in het aantonen van differentiële weefselcel- en microbiële-oppervlakte interacties. Dit mechanisme hebben we vervolgens gebruikt onder meer ingrijpende omstandigheden, waarbij de gemoduleerde oppervlakken eerst werden blootgesteld aan fibronectine (Fn) en vervolgens werden onderzocht met een aan Fn hechtende S. aureus stam. Hiermee hebben we aangetoond dat PEG microgel patronen biofilm formatie remmen terwijl weefselcellen goed in staat waren te hechten. De eerste co-cultuur experimenten slaagden er niet in de meerwaarde van de patroonoppervlakken in ‘the race for the surface’ te laten zien, waarschijnlijk veroorzaakt door crosstalk van bacteriële toxines tussen de oppervlakken met patronen en de delen van het glas zonder coating die de patronen omringden. Wij stellen dat co-cultuur experimenten volledig gecoate samples vereisen, waarvoor een fabricage methode ontwikkeld moet worden die het mogelijk maakt om op grote schaal dit soort samples te produceren. Infection is the number one cause of failure of biomaterial implants and devices, despite decades of research into the development of anti-adhesive coatings. The main aim of this thesis was to investigate up to what extent spatially modified, non-adhesive PEG-microgel patterns could favorably influence microbial adhesion, mammalian cell adhesion and spreading, and, ultimately, the outcome of the race for the surface to reduce the chance of occurrence of biomaterials-associated-infection. To develop multi-functional surfaces, we used electron-beam lithography to develop precise PEG-microgel patterns to control the interfacial behavior with multiple biological components. Subsequently, we created surfaces with submicron-sized, non-adhesive microgel patterns on an otherwise cell-adhesive surface and successfully demonstrated differential mammalian cell- and microbial-surface interactions. Next, we advanced our mechanism of length-scale-mediated differential adhesion under the more rigorous condition where modulated surfaces were pre-exposed to fibronectin (Fn) and probed by a Fn-binding S. aureus. By using a pattern design composed of bio-adhesive Fn-coated patches on a continuous, non-adhesive PEG film, we showed that PEG microgel patterned surfaces reduce biofilm formation while mammalian cells can still anchor on the adhesive Fn patches. Pilot experiments failed to demonstrate benefits of the patterned surfaces in the race for the surface, probably due to the occurrence of cross talk of bacterial toxins between patterned areas and the uncoated glass surrounding the patterns. However, we observed that osteoblast-like cell killing was dependent on the virulence factor of pathogens. It is suggested that co-culture experiments require fully coated samples, for which a high throughput manufacturing device needs to be developed.