Topographical control and characterization of Al/Al2O3 nanowire coatings for improved osseointegration of implant materials

Abstract

Medical implants are a clinical reality and thousands of patients have been treated increasing in this way his life quality. Although many native materials have been used for bone implants, future biomaterials will include specific topographies to obtain the desired function. In this thesis, Al/Al2O3 nanowires (NWs) are suggested as possible coatings for improved osseointegration. The coatings have been fabricated by chemical vapour deposition (CVD) of the molecular precursor [tBuOAlH2]2. Depending on the deposition time four different densely coated nanostructures have been obtained. A 3D-model has been reconstructed using the Focus Ion Beam/Scanning Electron Microscopy (FIB/SEM) technique and software reconstruction tools and the surface properties have been characterised using well known techniques. Finally, the prepared Al/Al2O3 NWs have been biologically tested. The Al/Al2O3 coatings are here studied as models for a better understanding of the topographic effect of the features on the cells independently from the chemical effect. Human osteoblast cells (HOB) and normal dermal human fibroblast cells (NHDF) were cultured separately on the deposited Al/Al2O3 NWs to investigate a possible selective cell adhesion. Additionally, gene experiments have been performed in order to understand the effect of the different topographies on the osteogenic gene expression. Lastly, the cell monolayer rheology (CMR) has been used to quantify the mechanical behaviour of the cells.

Medizinische Implantate sind in der klinischen Praxis eingeführt und die Lebensqualität Tausender behandelter Patienten hat sich damit erhöht. In dieser Arbeit werden Al/Al2O3 Nanodrähte (NWs) als mögliche Beschichtungen für eine verbesserte Osseointegration vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang wurden Al/Al2O3 Schichten durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) des molekularen Präkursors [tBuOAlH2]2 hergestellt. Je nach Dauer der Abscheidung wurden vier verschiedene Nanostrukturen gewonnen. 3D-Modelle wurden für jede dieser Nanostrukturen mit Hilfe der Fokus Ion Beam/Scanning Electron Microscopy (FIB/SEM) Technik rekonstruiert. Die Oberflächeneigenschaften wurden unter Verwendung etablierter Techniken charakterisiert. Schließlich wurden die vorbereiteten Al/Al2O3 NWs biologisch getestet. Die Al/Al2O3 Beschichtungen wurden hier als Modelle für ein besseres Verständnis des topographischen Effekts der Oberflächenmerkmale von Implantwerkstoffen auf Zellen unabhängig von der chemischen Wirkung des Werkstoffs selbst untersucht. Menschliche Osteoblasten (HOB) und normale dermale menschliche Fibroblasten (NHDF) wurden separat auf den abgeschiedenen Al/Al2O3 NWs kultiviert, um eine mögliche selektive Zell-Adhäsion zu untersuchen. Genexperimente wurden durchgeführt. Genexpression auf Al/Al2O3 NWs wurde quantifiziert. Schließlich hat die Zellmonoschicht Rheologie (CMR) verwendet worden, um das mechanische Verhalten der Zellen zu quantifizieren.