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Bioactive coating with low-fouling polymers for the development of biocompatible vascular implants

Thalla, Pradeep Kumar (2014). Bioactive coating with low-fouling polymers for the development of biocompatible vascular implants. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The replacement of occluded blood vessels and endovascular aneurysm repair (EVAR) are performed with the use of synthetic vascular grafts and stent grafts, respectively. Both implants lead to frequent clinical complications that are different but due to a similar problem, namely the inadequate surface properties of the polymeric biomaterials used (generally polyethylene terephthalate (PET) or expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE)). Therefore the general objective of this thesis was to create a versatile bioactive coating on vascular biomaterials that reduce material-induced thrombosis and promote desired cell interactions favorable to tissue healing around implants. The use of low-fouling backgrounds was decided in order to reduce platelet adhesion as well as the non-specific protein adsorption and thus increase the bioactivity of immobilized biomolecules.

As part of the preliminary objective, a multi-arm polyethylene glycol (PEG) was chosen to create a versatile low-fouling surface, since the current coating methods are far from being versatile and rely on the availability of compatible functional groups on both PEG and the host surface. This PEG coating method was developed by taking advantage of novel primary amine-rich plasma polymerized coatings (LP). As demonstrated by quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D), fluorescence measurements and platelet adhesion assays, our PEG coatings exhibited low protein adsorption and almost no platelet adhesion after 15 min perfusion in whole blood. Although protein adsorption was not completely abrogated and short-term platelet adhesion assay was clearly insufficient to draw conclusions for long-term prevention of thrombosis in vivo, the low-fouling properties of this PEG coating were sufficient to be exploited for further coupling of bioactive molecules to create bioactive coatings. Therefore, as a part of the second objective, an innovative and versatile bioactive coating was developed on PEG and carboxymethylated dextran (CMD), using the combination of an adhesive peptide (KQAGDV/RGD) and epidermal growth factor (EGF). CMD was chosen as an alternative to PEG due to its better low-fouling properties and the presence of abundant carboxyl terminal groups. Although the QCM-D technique enabled us to optimize the combined immobilization of KQAGDV/RGD and EGF, cell adhesion assay results did not show improvement of vascular smooth muscle cell (VSMC) adhesion on peptide-modified PEG or CMD surfaces.

Among the reasons explaining low cell adhesion on peptides grafted low-fouling surfaces is the difficulty of preventing protein adsorption/platelet adhesion without significantly reducing cell adhesion. Preliminary data in our laboratory indicated that CS could be an ideal substrate to find this compromise. For that reason, the final objective of this PhD consisted in evaluating the potential of chondroitin sulfate (CS) coating by comparing its properties with well-known low-fouling polymers such as PEG and CMD. It was shown that CS presents selective low-fouling properties, low-platelet adhesion and pro-endothelial cell (EC) adhesive properties As demonstrated by QCM-D and fluorescence measurements, CS was as effective as PEG in reducing fibrinogen adsorption, but it reduced adsorption of bovine serum albumin (BSA) and fetal bovine serum (FBS) to a lower extent than PEG and CMD surfaces. Whole blood perfusion assays indicated that all three surfaces drastically decreased platelet adhesion and activation to levels significantly lower than PET surfaces. However, while EC adhesion and growth were found to be very limited on PEG and CMD, cell attachment on CS was strong, with focal adhesion points and resistance to shear stress. CS coatings therefore form a low-thrombogenic background promoting the formation of a confluent endothelium layer, which may then act as an active anti-thrombogenic surface. CS coating can also be used to further graft biomolecules. Combination of LP, CS coating followed by GF immobilization shows great promise as a bioactive coating to optimize the biocompatibility and clinical outcome of vascular implants, in particular vascular grafts.

Titre traduit

Revêtement bioactif avec polymères de low-fouling pour le développement des implants vasculaires biocompatibles

Résumé traduit

Le remplacement de vaisseaux sanguins occlus et la réparation endovasculaire des anévrismes de l’aorte abdominale (EVAR) effectués respectivement à l’aide de prothèses vasculaires synthétiques et d’endoprothèses couvertes, mènent tous deux à de fréquentes complications cliniques due à une problématique similaire : les matériaux utilisés (généralement le polyéthylène téréphthalate (PET) et le polytétrafluoroéthylène expansé (ePTFE) n’ont pas les propriétés de surface permettant de réduire les réactions biologiques indésirables tout en favorisant les interactions cellulaires requises pour la croissance des tissus biologiques. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse consistait à créer un revêtement bioactif sur les biomatériaux vasculaires pour réduire la thrombose tout en favorisant la croissance cellulaire.

Le premier objectif a consisté à mettre au point une surface empêchant l’adsorption des protéines (communément appelée « low-fouling ») à l’aide de polyéthylène glycol (PEG) à bras multiples. Un revêtement polymérisé par plasma riche en amine primaire (LP) a été utilisé comme substrat afin d’obtenir un revêtement polyvalent, pouvant être recréé sur n’importe quel type de biomatériaux ou de surface, ce qui n’est pas le cas des méthodes actuelles qui requièrent d’optimiser la technique de greffage pour chaque nouveau biomatériau. Tel que démontré par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCMD), par mesure directe de fluorescence ainsi que lors d’essais de perfusion sanguins, les revêtements de PEG créés génèrent une très faible adsorption de protéine et presque pas l'adhésion des plaquettes après 15 min de perfusion dans le sang total. Bien que l’adsorption des protéines ne soit pas empêchée à 100% et que les propriétés anti-plaquetaires ne permettent pas de conclure sur l’absence de thrombogénicité à long terme in vivo du revêtement, les propriétés de ce dernier peuvent être exploitées pour y coupler des molécules bioactives. Par conséquent, le second objectif consistait à développer un revêtement bioactif innovant et polyvalent en utilisant la combinaison de peptide d’adhésion (KQAGDV/RGD) et de facteur de croissance épidermique (EGF) greffé par le biais de coils électrostatiques. Le dextran carboxyméthylé (CMD) a été choisi comme une alternative possible au PEG en raison de ses meilleures propriétés « low-fouling » et la présence de groupes terminaux carboxyl abondants. Bien que la technique QCM-D nous ait permis d'optimiser la combinaison de l'immobilisation KQAGDV / RGD et EGF, les essais cellulaire n'ont pas montré d'amélioration de l'adhésion des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) sur les surfaces PEG ou CMD modifiées par les peptides.

Ce résultat met en évidence, parmi d’autres facteurs, le difficile compromis à trouver pour empêcher l’adsorption des protéines sans empêcher l’adhésion cellulaire. Des travaux antérieurs du laboratoire suggéraient que la chondroitine sulfate (CS), un glycoaminoglycan sulphaté, permettait de trouver ce compromis. Pour cette raison, le dernier objectif de cette thèse a consisté à étudier les propriétés de revêtements de CS comparativement aux deux polymères « low-fouling », le PEG et le CMD. Il a été démontré que la CS présente des propriétés anti-fouling sélectives puisque l’adsorption du fibrinogène est presque totalement supprimée tandis que d’autres protéines (et notamment certains facteurs de croissance connus pour interagir avec la CS) sont favorisées. La CS, comme le PEG et le CMD, diminue nettement l’adhésion plaquetaire en deça du niveau observé sur le PET. Par contre, alors que l’adhésion cellulaire sur le PEG et le CMD est très limitée, la CS favorise un attachement cellulaire prononcé, avec adhésion focale et résistance au cisaillement. Au contraire, les cellules endothéliales se détachent facilement du PET non modifié. Ainsi, les revêtements de CS forment une surface peu thrombogène favorisant la croissance d’une couche endothéliale complète et stable qui pourra agir comme surface anti-thrombotique active. Ensemble, l’utilisation du polymère plasma et de la CS greffée, suivie éventuellement d’immobilisation de facteurs de croissance, semble avoir un fort potentiel comme revêtement bioactif pour optimiser la biocompatibilité et les résultats cliniques des implants, en particulier des prothèses vasculaires.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctor of philosophy" Bibliographie : pages 169-213.
Mots-clés libres: Composés bioactifs Synthèse. Cellules Adhésivité. Prothèses vasculaires. Endoprothèses. Biomatériaux. bioactif, revêtement, low-fouling, non thrombogénique, adhésion de peptides, facteur de croissance épidermique, microbalance à cristal de quartz avec dissipation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Lerouge, Sophie
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
De Crescenzo, Gregory
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 02 déc. 2014 16:49
Dernière modification: 14 mars 2017 00:59
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1406

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