Nitrogen- and oxygen- rich plasma deposited organic coatings for selective cell adhesion

Cell-surface interactions have been identified to be of a primary relevance in a wide variety of biomedical applications. Despite the availability of a large number of studies, the cell-surface interactions are not still fully understood; thus, owing to the importance of these interactions, it is crucial to understand the nature of their governing parameters. Synthetic polymers play an important role in disease management and health care. However, due to the chemical inertness of their surfaces, their interactions with the biological environment can be improved by modifying the surface properties, for example by plasma polymerization. It is proposed that the physio-chemical properties of plasma polymers, such as surface chemistry and surface charge, have an important effect on their interactions with biological environments. Among different kinds of plasma polymers, i.e. a thin layer of organic macromolecules, the oxygen- and nitrogen-rich types have been found to promote cell adhesion, through interactions mediated by functional groups. These interactions can be rendered to be selective to certain cell types and therefore be exploited for selective cell adhesion applications and were studied in depth in this work. In order to fulfill this objective, in the first part of this thesis, a study on the design of a suitable set of coatings was carried out. Plasma polymerization of binary gas mixtures of a hydrocarbon and a heteroatom containing gas took place in a low-pressure glow discharge reactor to produce plasma polymers with tuneable concentration of N and O functional groups. The deposition parameters controlled the composition of the coatings and, subsequently, their surface charge between -28 mV and 26 mV at physiological pH. We also studied the effect of surface chemistry and protein adsorption on adhesion and differentiation of inflammatory cells to plasma polymer films containing tuneable concentrations of N and O functional groups. The protein adsorption measurements obtained from surface plasmon resonance, in line with cell culture experiments, suggests that presence of albumin on our surfaces may be an indicator of monocyte adhesion to the studied plasma polymers. As a novel biomedical application of plasma polymers, we showed that plasma polymer films can be used to separate two different types of mouse cells, namely fibroblast and pancreatic cells, and demonstrated promising features suitable for cell sorting applications. Sterilization is an inevitable step before any material could be used in medical applications. However, the sterilization procedures could alter the desirable characteristics brought by the surface modification. To investigate the impact of sterilization, the alterations in the physio-chemical properties and bio-performance of plasma polymers were studied after various types of sterilization techniques. The results revealed that different sterilization techniques had varying effects on the plasma polymer films of different compositions. Overall, all these findings provide a foundation to understand how cell and plasma polymer interactions can be governed by the design of surface properties. Moreover, the separation of two different cell types by plasma polymers opens up new opportunities to design novel adhesion-based cell sorting devices.Les interactions cellule-surface ont été identifiées comme étant d'une pertinence primordiale dans une grande variété d'applications biomédicales. Malgré un nombre important, les interactions cellule-surface ne sont pas encore complètement comprises. Cependant, en raison de l'importance de ces interactions, il est essentiel de comprendre la nature de leurs paramètres de gouvernance. Les polymères synthétiques jouent un joue un rôle important important dans la gestion des maladies et les soins de santé. Cependant, en raison de l'inertie chimique de leurs surfaces, leurs interactions avec l'environnement biologique peuvent être améliorées en modifiant les propriétés de surface, par exemple par polymérisation par plasma. Il est proposé que les propriétés physico-chimiques des polymères plasma, tels que la chimie de surface et la charge de surface, ont un effet important sur leurs interactions avec les environnements biologiques. Parmi les différents types de polymères plasma, les polymere plasma riches en oxygène et en azote se sont révélés favoriser l'adhésion cellulaire, par le biais d'interactions induites par des groupes fonctionnels. Ces interactions peuvent être rendues sélective à certains types de cellules et donc être exploitées pour des applications d'adhèsion cellulaire sélective. C'est un domaine important qui doit être étudié dans ce projet. Afin de remplir l'objectif principal, d'une étude sur la conception d'un ensemble de revêtements approprié a été réalisée dans la première partie de cette thèse. Des films polymères plasma contenant des concentrations ajustables de groupes fonctionnels N et O ont été déposés dans un réacteur à décharge luminescente basse pression par polymérisation par plasma de mélanges gazeux binaires d'un hydrocarbure (éthylène ou butadiène) et d'un gaz source d'hètéroatome (ammoniac et / ou dioxyde de carbone). Les paramètres de dépôt contrôlaient la composition des revêtements et, par la suite, leur charge de surface entre -28 mV et 26 mV à pH physiologique. Nous avons également étudié l'effet de la chimie de surface et de l'adsorption protéique sur l'adhésion et la différenciation à des cellules inflammatoires films polymères plasma contenant des concentrations ajustables de groupes fonctionnels N et O. Les mesures d'adsorption des protéines résultant de la résonance plasmonique de surface, en ligne avec les expériences de culture cellulaire, ont suggéré que la présence d'albumine sur nos surfaces pourrait être un indicateur de l'adhésion des monocytes aux polymères plasma étudiés.En tant que nouvelle application biomédicale des polymères plasma, nous avons montré que les films polymères plasma peuvent être utilisés pour séparer deux types différents de cellules de souris, à savoir les fibroblastes et les cellules pancréatiques, et ont dèmontré des caractéristiques prometteuses adaptées au tri cellulaire.La stérilisation est une étape inévitable avant que tout matériau puisse être utilisé dans des applications médicales. Cependant, les procédures de stérilisation pourraient altérer les caractéristiques souhaitables apportées par la modification de surface. Pour étudier l'impact de la stérilisation, les polymères plasma ont été exposés à différents types de techniques de stérilisation. Les résultats ont révélé que les changements provoqués par les techniques de stérilisation étaient fortement corrélés au type de polymère plasmatique. Ainsi, la technique de stérilisation proposée qui est fonctionnelle pour la plupart des polymères plasma étudiés est le chauffage sec modifié. Dans l'ensemble, tous ces résultats fournissent une base pour comprendre comment les interactions entre les cellules et les polymères plasma peuvent être régies par la conception des propriétés de surface. De plus, la séparation de deux types cellulaires différents par des polymères plasma ouvre de nouvelles opportunités pour la conception de nouveaux dispositifs de tri cellulaire à adhésion