Mechanisch stabile anti-adhäsive Polymeroberflächen durch biomimetische Strukturierung
Biomaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Herstellung und Nachahmung der Kutikulastrukturen von Springschwänzen (Collembolen), mit ihren bio-adhäsionshemmenden Eigenschaften war das zentrale Ziel des Forschungsvorhabens. Verschiedene Fertigungsverfahren wurden genutzt, um detaillierte und abgeleitete Polymeroberflächen herzustellen durch: 1) direkte Replikation der Tieroberflächen mit PEGda 2) Abformung von abstrahierten Masterstrukturen zu Fertigung von Polymermembranen mit Überhangprofilen; 3) Laserinterferenzlithographie (LIL) auf dem UV-Photolack SU-8 zur Fertigung von periodischen einskalige und hierarchischen Strukturen; 4) LIL unter Verwendung eines LOR und SU-8 Multilayersystems zur Fertigung von Überhangstrukturen; 5) Direkte Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) verschiedener Polymere (PI, PET, PS, PC und PEEK) zur Fertigung von periodischen, einskaligen und hierarchischen Strukturen. Bakterienassays mit direkten Replikaten konnten zeigen, dass die Ausprägung der Primärstrukturen der Springschwänze bakterielle Adhäsion unabhängig vom Benetzungszustand der Oberfläche beeinflusst. Das heißt Oberflächen ohne Primärstruktur wurden im Allgemeinen stark besiedelt, während vollständigen Replikate mit Primärstruktur nach 24 h Inkubationszeit die geringste Besiedlung zeigten. Durch detailierte Untersuchungen von Be- und Entnetzungsprozessen an abgeleiteten Polymerstrukturen mit verschieden ausgeprägten Überhangprofilen konnte gezeigt werden, dass makroskopische Kontaktwinkel von der Art des Überhangs unbeeinflusst bleiben, aber sogenannte Recoveryprozesse (Entnetzung) der Kavitäten nach Anwendung von hydrostatischem Druck besonders ungehindert stattfinden, wenn die Profile den Primärstrukturen der Springschwänze ähneln. Benetzungsexperimente mit Proteinlösungen an abgeleiteten T-profilen in Polymermembranen weisen darauf hin, dass derartige Strukturen Benetzung mit physiologischen Flüssigkeiten aufhalten können. Die bisherigen Tests erlauben aber noch keine genaueren Zeitangaben. Bakterienassays auf einskaligen SU-8 Strukturen zeigten einen adhäsionshemmenden Effekt für Strukturperioden von 0.5 µm, d.h. im Bereich der Dimension der Primärstrukturen der Springschwänze, verglichen mit größeren Perioden (1 µm - 5 µm) und unstrukturierten Oberflächen. Dieser Effekt konnte sowohl für Säulen-, Linien- und Lochstrukturen festgestellt werden, unabhängig von der Hydrophobizität der Oberfläche. Auf hierarchischen Strukturen mit Kombinationen von 5 µm und 0,5 µm Perioden werden vergleichbare Ergebnisse erzielt. Das Multilayerverfahren zur Herstellung von mikroskaligen Lochstrukturen mit Überhangprofilen erwies sich bisher als nicht ausreichend reproduzierbar. Trotzdem zeigten einige Proben gut ausgeprägte Profile welche den pilzförmigen Querschnitten der Primärstruktur der Springschwänze sehr nahe kam. Die für SU-8 beschriebenen Ergebnisse konnten für einige ablativ strukturierte Polymere ebenfalls gezeigt werden. Auf Polyimid zeigte die hierarchische Kombination von 5 µm und 0,5 µm Perioden sogar eine leicht niedrigere Adhäsion von Bakterien als einskalige 0,5 µm Strukturen. Zusätzlich zeigte sich in Sandabriebsversuchen die deutlich größere Langlebigkeit der hierarchischen Struktur gegenüber der einskaligen 0,5 µm Periode. Weitere Verschleißeigenschaften auf diesen PI-Strukturen wurden in einem Gleitreibungsversuch Kugel auf Ebene durchgeführt, wobei die Verschleißtiefe als charakteristische Vergleichsgröße genutzt wurde. Im Ergebnis zeigten Lochstrukturen ein stabileres Verhalten als Säulenstrukturen, ebenso zeigten Strukturen mit zunehmender Periode eine längere Lebensdauer. Bei hierarchischen Strukturen wird deutlich, dass eine 0,5 µm Struktur innerhalb einer 5 µm Struktur vor mechanischer Zerstörung für längere Zeit geschützt wird. Am Ende des Projektes wurde ein Demonstrator hergestellt, um die Möglichkeit der allseitigen Strukturierung eines handelsüblichen medizinischen Gerätes mit adhäsionshemmenden Mustern zu zeigen. Dabei wurde ein Portkatheter vollständig mit 0,5 µm periodischen Lochstruktur strukturiert. Eine Kostenkalkulation zeigt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “In Situ experiments to reveal the role of surface feature sidewalls in the Cassie-Wenzel transition”, Langmuir 30 (2014), 15162 - 70
René Hensel, Andreas Finn, Ralf Helbig, Sebastian Killge, Hans-Georg Braun, Carsten Werner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/la503601u) - „Evaluation of surface microtopography engineered by Direct Laser Interference for bacterial anti-biofouling“, Macromolecular Bioscience 15 (2015), 1060-1069
Jaione Valle, Saioa Burgui, Denise Langheinrich, Carmen Gil, Cristina Solano, Alejandro Toledo-Arana, Ralf Helbig, Andrés Lasagni, Inigo Lasa
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mabi.201500107) - (2016): Direct laser interference patterning for decreased bacterial attachment, in Proc. of SPIE Vol. 9736, 973611
D. Guenther, J. Valle, S. Burgui, C. Gil, C. Solano, A. T.-A., R. Helbig, C. Werner, I. Lasa, A. F. Lasagni
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2216065) - „Fabrication of hierarchical micro patterns on PET substrates using Direct Laser Interference Patterning“, Advanced Engineering Materials 18 (2016), 1755–1762
Florian Rößler, Denise Günther, Andrés Fabián Lasagni
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201600201) - „High precision patterning of biomaterials using the Direct Laser Interference Patterning technology“ In Laser Surface Modification of Biomaterials Ed. 1 (R. Vilar), Woodhead Publishing 2016
Denise Günther, Dieter Scharnweber, Ricarda Hess, Cornelia Wolf-Brandstetter, Marzellus große Holthaus, Andrés Fabián Lasagni
- „The impact of structure dimensions on initial bacterial adhesion“, Biomaterials Science 4 (2016), 1074-1078
Ralf Helbig, Denise Günther, Jens Friedrichs, Florian Rößler, Andrés Lasagni, Carsten Werner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6bm00078a) - „UV Direct Laser Interference Patterning of Polyurethane substrates as tool for tuning its surface wettability”, Applied Surface Science, 374 (2016), 222-228
R. Estevam-Alves, D. Günther, S. Dani, S. Eckhardt, T. Roch, C.R. Mendonca, I.N. Cestari, A.F. Lasagni
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.11.119) - “Fabricating three-dimensional periodic micro patterns on photo-resists using Laser Interference Lithography” Advanced Engineering Materials (2017)
Florian Rößler, Valentin Lang, Denise Günther, Andrés Lasagni
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201600855)
