Electrophoretic deposition of multifunctional polymer-bioactive glass composite coatings

Elektrophoretische Abscheidung von multifunktionalen Kompositschichten aus Polymer und bioaktivem Glas

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-79503
  • As the anticipated average life of the population continues to increase, the need for improved implant materials grows. There is a whole variety of implants available for various parts of the body, for example bone and joint replacement, parts of internal organs or artificial blood vessels. Research in this field has become increasingly important to ensure the quality of life of patients after implantation. For joint replacement implants, the most important aspect is a perfect fixation of the implant to the surrounding tissue to prevent loosening. A loosened implant can lead to infections and pain and has to be removed in many cases, decreasing the quality of life of patients. BioactiveAs the anticipated average life of the population continues to increase, the need for improved implant materials grows. There is a whole variety of implants available for various parts of the body, for example bone and joint replacement, parts of internal organs or artificial blood vessels. Research in this field has become increasingly important to ensure the quality of life of patients after implantation. For joint replacement implants, the most important aspect is a perfect fixation of the implant to the surrounding tissue to prevent loosening. A loosened implant can lead to infections and pain and has to be removed in many cases, decreasing the quality of life of patients. Bioactive materials like hydroxyapatite or bioactive glass are useful materials to promote strong bonding of implant to bone. These materials form a hydroxycarbonate apatite layer in contact with the surrounding body fluid and enhance osteoblast activity. Thus bioactive materials are used as coatings on metallic implants for enhancing the bone-implant interface. It is also well known that ceramic materials as well as the commonly used metallic implants made from stainless steel or titanium alloys exhibit problems concerning their mechanical properties. Especially the high Young’s modulus in comparison to bone is disadvantageous as it can lead to stress shielding, which can cause decomposition of the surrounding bone. To avoid stress shielding, a coating with a lower Young’s modulus can be of advantage. Polymer materials are good candidates for this purpose as they can also be used as a matrix material for incorporating bioactive ceramic particles. One possible coating process for this purpose is electrophoretic deposition (EPD), which gives the chance to deposit several materials in one single step from a suspension that contains the different particles and molecules. By using EPD, the coating thickness and composition can be tailored by adjusting the processing parameters and suspension composition. In this project two ways of parameter optimization were used: trial-and-error, which is a rather time consuming method and the Taguchi method, which is a statistical way to find the most robust system with the least variation. Trial-and-error was used for the more complex composite systems, whereas the successful use of statistical evaluation was shown for the single material systems, namely PEEK and chitosan. The use of coatings as part of implant materials induces several requirements. Coatings were examined applying a wide range of characterization methods. The use of contact angle measurements gives initial information about hydrophilicity of the surface and hence about cell attachment, as very high and low contact angles are unfavorable. This is also the case for the roughness of the produced coatings. Therefore laserprofilometry was chosen to assess the roughness. Another important factor is the evaluation of the attachment of the coatings to the substrate material, which was stainless steel in this project. A problem that can occur at implant site is a bacterial infection that also can lead to a failure of the implant resulting in a second surgery to remove the implant. There are two main ways to overcome this problem, either by using drugs (antibiotics) or the use of antibacterial agents (ions) such as silver. Drugs can be released directly at the implant site by using a degradable polymer matrix that releases the drug over a longer time period. In this project the naturally derived polymer chitosan was selected as a matrix for bioactive glass particles and the antibiotic tetracycline. Coatings of this material combination were developed and characterized. It was shown that tetracycline can be released over several weeks with a burst in the beginning to prevent early infections directly after the surgery when the immune system of the patient is weakened. Bacterial studies using E. coli cells confirmed the successful antibacterial effect of these coatings that can be adjusted by changing the antibiotic concentration in suspension. In addition, studies in simulated body fluid (SBF) showed the bioactive properties of the coatings by the formation of hydroxyapatite on the surface after immersion for 21 days in SBF. Different bioactive glass particle sizes were used ranging from nanometer to micrometer size and it was depicted that the optimum properties in terms of bioactivity, cell attachment and spreading can be achieved using nano-sized bioactive glass particles. Prior to cell culture studies the behavior of the coatings applying different sterilization methods such as sterilization in the furnace, in the autoclave and under UV light was investigated in terms of coating attachment and possible chemical changes of the coatings. The second approach to achieve antibacterial properties involved the use of silver nanoparticles. In this case a non-degradable polymer matrix was used. Polyetheretherketone (PEEK) was chosen for this purpose as it exhibits excellent mechanical properties and is well processible due to its excellent chemical and thermal stability. A heat treatment step in a furnace was required to densify the coatings, which was optimized at different temperatures and the influence of the heat treatment process on materials properties such as crystallinity was investigated. PEEK was taken as a matrix material for bioactive glass and silver nanoparticles and the successful composite coating formation by EPD was demonstrated. This material combination was also seen to lead to a sufficient apatite formation in SBF. Bacteria studies using E. coli indicated that the antibacterial properties can be tailored by changing the silver concentration in suspension. However, it is important that not only an antibacterial effect occurs, but still the biocompatibility in terms of cell attachment and cell spreading is maintained. This was successfully tested using MG 63 osteoblast-like cells. Also in this case the sterilization behavior of the coatings was investigated to find the most suitable sterilization process that avoids degradation or damage of the coating, As a last step for the two material systems, the coating formation on three-dimensional substrates was evaluated. For the PEEK system, a dental screw was used, whereas for chitosan, a porous titanium alloy TiAl6V4 scaffold was applied. For both systems the successful coating formation using EPD could be shown, which reveals that EPD is a suitable method for the deposition of multifunctional biomedical coatings on 3D structures. The properties and thicknesses of the coatings can be readily adjusted by changing the coating process. Thus, the results of this investigation have expanded the applicability of EPD to a family of both biodegradable and permanent coatings which exhibit combined bioactivity and antibacterial behavior.show moreshow less
  • In den letzten Jahren ist die Lebenserwartung der Menschheit stetig angestiegen, was dazu führt, dass die Anforderungen an Implantatmaterialien wachsen. Es gibt eine große Anzahl an Implantaten, von Knochen- und Gelenkersatz, bis hin zu Teilen von Organen und künstlichen Blutgefäßen. Durch die wachsende Nachfrage wird die Forschung in diesem Bereich immer wichtiger, um die Lebensqualität nach dem Eingriff zu erhalten. Bei einem Gelenkersatz ist es besonders wichtig eine ausreichende Anbindung des Implantats an das umliegende Gewebe zu erreichen, um eine Lockerung des Implantats zu verhindern. Eine Lockerung würde die Lebensqualität vermindern, da sie zu Infektionen und Schmerzen führen kann.In den letzten Jahren ist die Lebenserwartung der Menschheit stetig angestiegen, was dazu führt, dass die Anforderungen an Implantatmaterialien wachsen. Es gibt eine große Anzahl an Implantaten, von Knochen- und Gelenkersatz, bis hin zu Teilen von Organen und künstlichen Blutgefäßen. Durch die wachsende Nachfrage wird die Forschung in diesem Bereich immer wichtiger, um die Lebensqualität nach dem Eingriff zu erhalten. Bei einem Gelenkersatz ist es besonders wichtig eine ausreichende Anbindung des Implantats an das umliegende Gewebe zu erreichen, um eine Lockerung des Implantats zu verhindern. Eine Lockerung würde die Lebensqualität vermindern, da sie zu Infektionen und Schmerzen führen kann. Im schlimmsten Fall ist es nötig das Implantat zu entfernen. Um eine bessere Anbindung zu erzielen, werden bioaktive Materialien wie Hydroxylapatit oder bioaktives Glas verwendet. Diese Materialien begünstigen eine starke Bindung zwischen Implantat und Knochen. Bioaktive Materialien bilden eine Hydroxylcarbonat Apatit Schicht, wenn sie in Kontakt mit Körperflüssigkeiten kommen. Zusätzlich wird die Osteoblasten Aktivität erhöht. Aus diesem Grund werden Beschichtungen aus bioaktiven Materialien auf metallischen Implantaten verwendet, um die Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat zu verstärken. Allerdings treten bei der Verwendung von keramischen Materialien, genauso wie bei den normalerweise verwendeten metallischen Implantatmaterialien aus Edelstahl oder Titanlegierungen Probleme auf. Diese sind bedingt durch die mechanischen Eigenschaften, besonders auf Grund des hohen E-Moduls. Dieser ist im Vergleich zu Knochen sehr hoch, was zu „stress shielding“ führen kann und damit einen Abbau des Knochengewebes zur Folge hat. Stress Shielding kann vermieden werden, wenn die Implantatmaterialien mit einem Material beschichtet werden, das einen niedrigeren E-Modul aufweist. Es hat sich gezeigt, dass sich Polymere für diesen Zweck gut eignen, da sie auch als Matrix für keramische Partikel verwendet werden können. Ein möglicher Beschichtungsprozess ist die elektrophoretische Abscheidung (EPD). Bei diesem Prozess können verschiedene Materialien, die in Pulverform vorliegen in einem Schritt aus einer Suspension direkt auf das Substrat abgeschieden werden. Die Dicke und Zusammensetzung der Schicht können mit Hilfe von EPD einfach eingestellt werden, indem man die Prozessparameter und Zusammensetzung der Suspension verändert. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Methoden verwendet, um die Prozessparameter zu optimieren: die zeitaufwändigere „Trial-and-Error-Methode“ und die Taguchi Methode. Die Taguchi Methode ist eine statistische Prozessoptimierung, bei der das robusteste System mit der kleinsten Schwankung gefunden wird. Trial-and-Error wurde für komplexere Kompositsysteme verwendet, während der Gebrauch der Taguchi Methode für die Einzelkomponentensysteme PEEK und Chitosan gezeigt wurde. An den Einsatz von Beschichtungen auf Implantatmaterialien werden einige Anforderungen gestellt. Aus diesem Grund wurden verschiedene Untersuchungsmethoden verwendet, um die produzierten Schichten zu analysieren. Kontaktwinkelmessungen geben Aufschluss über das Anwachsen von Zellen, da sowohl sehr hohe, wie auch sehr niedrige Kontaktwinkel nachteilig sind. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Rauigkeit der hergestellten Schichten. Diese wurde mit Hilfe eines Laserprofilometers untersucht. Die Anhaftung der Schicht an das Substratmaterial, welches in diesem Fall größtenteils aus Edelstahl bestand, wurde ebenfalls untersucht. Ein weiteres Problem, das an der Stelle der Implantation auftreten kann, ist eine bakterielle Infektion, die ebenfalls zu einem Versagen des Implantats führen kann. Das hat zur Folge, dass das Implantat in einer weiteren Operation entfernt werden muss. Es gibt zwei Möglichkeiten, um Infektionen zu vermeiden, entweder durch Medikamente oder durch die Verwendung von antibakteriellen Materialien, wie zum Beispiel Silber. Im Fall von Medikamenten kann eine degradierbare Polymermatrix als Trägermaterial verwendet werden. Aus dieser wird das Medikament über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden. In diesem Projekt wurden Beschichtungen aus dem natürlich gewonnenen Polymer Chitosan als Trägermaterial für bioaktives Glas und das Antibiotikum Tetracyclin verwendet. Freisetzungsstudien haben gezeigt, dass das Tetracyclin über einen längeren Zeitraum freigesetzt wurde. Anfangs wird eine größere Menge abgegeben, um Infektionen direkt nach der Implantation zu vermeiden, da zu diesem Zeitpunkt das Immunsystem des Patienten durch die Operation besonders geschwächt ist. Studien mit E. Coli Bakterien haben die antibakterielle Wirkung der Beschichtungen gezeigt. Außerdem war es möglich, den antibakteriellen Effekt durch die Antibiotikumkonzentration einzustellen. Versuche in simulierter Körperflüssigkeit (SBF) führten zu der Bildung von Hydroxylapatit auf der Oberfläche, womit die bioaktiven Eigenschaften der Schichten nachgewiesen wurden. Nanopartikel aus bioaktivem Glas zeigten sich im Vergleich mit unterschiedlichen Partikelgrößen im Mikro- und Nanometerbereich in Bezug auf Bioaktivität und Zellanhaftung und –ausbreitung am optimalsten. Der Einfluss von unterschiedlichen Sterilisationsmethoden wurde vor den Zellkulturstudien untersucht. Als Methoden standen Sterilisation im Ofen, im Autoklaven und unter UV Strahlung zur Auswahl. Die beste Methode wurde an Hand von bester Schichtanhaftung und kleinster Materialveränderung ausgewählt. Der zweite Ansatz, um antibakterielle Eigenschaften von Kompositschichten zu erzielen, war die Verwendung von Silbernanopartikeln. In diesem Fall wurde eine stabile Polymermatrix aus Polyetheretherketon (PEEK) verwendet. PEEK besitzt exzellente mechanische Eigenschaften und lässt sich durch eine gute chemische und thermische Beständigkeit sehr gut verarbeiten. EPD ist ein kolloidaler Prozess, wodurch eine Wärmebehandlung nach dem Beschichtungsvorgang notwendig ist, um die Schicht zu verdichten und die Anhaftung zum Substratmaterial zu verbessern. Im Fall von PEEK wurde die Wärmebehandlung in einem Ofen durchgeführt. Verschiedene Temperaturen wurden gewählt und die Schichten in Bezug auf ihre Kristallinität, Anhaftung, Kontaktwinkel und Rauigkeit untersucht. PEEK wurde in diesem Fall als Matrixmaterial für bioaktives Glas und Nanosilber verwendet. Diese Materialkombination weist eine ausreichende Apatitbildung in SBF auf, und Bakterienstudien mit E. Coli weisen auf die antibakteriellen Eigenschaften der Schichten hin. Durch die Konzentration des antibakteriellen Materials in der Schicht kann die antibakterielle Wirkung eingestellt werden. In diesem Fall wurden MG 63 osteoblastenähnliche Zellen verwendet, um die Biokompatibilität der Schichten im Hinblick auf Zellanhaftung und Zellausbreitung in vitro zu untersuchen. Vor den Zellkulturversuchen wurde der Einfluss von verschiedenen Sterilisationsmethoden betrachtet, um den bestmöglichen Prozess zu finden, der einer Beschädigung der Schicht vorbeugt. Als letztes wurde für beide Materialsysteme das Beschichtungsverhalten auf dreidimensionalen Substraten erforscht. Für die PEEK-Kompositschichten kam eine Dentalschraube zum Einsatz, während die Chitosanschichten auf einem porösen Schaum aus einer Titanlegierung aufgebracht wurden. Obwohl für beide Kombinationen die erfolgreiche Schichtbildung von multifunktionalen Schichten mit Hilfe von EPD nachgewiesen werden konnte, sind weitere Untersuchungen nötig, um den Prozess zu optimieren. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Eigenschaften und Schichtdicken durch Variation der Prozessparameter modifiziert werden können.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sigrid Seuß
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-79503
Referee:Aldo R Boccaccini
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2016
Date of online publication (Embargo Date):2016/12/15
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2016/01/29
Release Date:2017/01/09
Tag:bioactive glass
SWD-Keyword:Elektrophoretische Beschichtung; Polyetheretherketone
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
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Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0