Polymeric functional coatings for biomedical applications

Abstract

This thesis comprehensively investigates functional polymeric coatings to address various biomedical challenges, with a focus on layer-by-layer (LbL) films based on poly(2-ethyl-2-oxazoline) (PEOX) and its partially hydrolyzed form, poly(2-ethyl-2-oxazoline)-co-polyethylenimine (PEOX-co-PEI). In Heparin-containing anticoagulant coatings, low Heparin surface density fails to prevent coagulation, while high densities pose bleeding and inflammation risks. To control Heparin surface density, a strategy based on LbL multilayers of PEOX-co-PEI/Heparin is introduced in which Heparin amount increases with hydrolysis degree of PEOX. The interaction between Heparin and PEOX-co-PEI was characterized in solution and related to the Heparin amount on surfaces. Subsequently, LbL films of PEOX-co-PEI/Heparin with silver nanoparticles were developed as coatings for cardiovascular stent materials. These coatings exhibit over 99.9% antibacterial activity, reduce coagulation rates by 57%, maintain over 93% relative viability, and decrease corrosion current density by a factor of 42, indicating high potential for medical applications. Also, pore formation in multilayers of PEOX-co-PEI/poly(acrylic acid) was studied to obtain porous coatings. To understand the role of electrostatic interactions and hydrogen bonding on the pore formation mechanism and morphology, PEOX hydrolysis degree (0 to 100% hydrolyzed) and film thickness (10 to 60 bilayers) were investigated. Lastly, a composite coating containing polydopamine-capped silica particles and silver nanoparticles in a styrene-butadiene-styrene matrix is introduced as a self-healing antibacterial coating. An antibacterial activity of over 90% was achieved. Also, the photothermal effect of polydopamine allows for self-healing of micron-sized scratches within 10 minutes using laser light. In conclusion, this thesis integrated fundamental principles of material design and surface chemistry to address complex biomedical challenges and enhance practical applications.

Bu tez, çeşitli biyomedikal uygulamalar için tasarlanmış fonksiyonel polimerik kaplamaların kapsamlı bir şekilde incelenmesini içermektedir. Çalışmanın odak noktası, poli (2-etil-2-oksazolin) (PEOX) ve kısmen hidrolize edilmiş formu olan poli (2-etil-2-oksazolin)-ko-poli(etilenimin) (PEOX-co-PEI) bazlı katman - katman (LbL) filmler üzerinedir. Heparin içeren antikoagülan kaplamalarda Heparin yüzey yoğunluğunu kontrollü bir şekilde ayarlamak için PEOX-co-PEI/Heparin LbL yapısına dayanan bir strateji geliştirilmiştir. Bu stratejide, Heparin miktarının PEOX'un hidroliz derecesiyle birlikte arttığı gösterilmiştir. Heparin ve PEOX-co-PEI arasındaki etkileşimler çözelti içinde karakterize edilmiş ve bu etkileşimlerin yüzeylerdeki Heparin miktarıyla olan ilişkisi ortaya konmuştur. Bu bağlamda, gümüş nanopartiküller içeren PEOX-co-PEI/Heparin LbL filmleri, kardiyovasküler stent malzemeleri için potansiyel kaplamalar olarak geliştirilmiştir. Bu kaplamalar, %99.9'dan fazla antibakteriyel aktivite sergilemiş, pıhtılaşma oranını %57 oranında azaltmış, %93'ten fazla hücrenin canlı kalmasını sağlamış ve korozyon akım yoğunluğunu 42 kat düşürerek tıbbi uygulamalar için yüksek bir potansiyel sunmuştur. Ayrıca, gözenekli kaplamalar elde etmek amacıyla PEOX-co-PEI/poli (akrilik asit) çok katmanlı yapılarında gözenek oluşumu incelenmiştir. Bu amaçla, elektrostatik etkileşimler ve hidrojen bağlarının gözenek oluşum mekanizması ve morfolojisi üzerindeki rolü araştırılmış; PEOX'un hidroliz derecesi (0'dan %100'e kadar hidrolize edilmiş) ve film kalınlığı (10'dan 60 çift katmana kadar) incelenmiştir. Son olarak, stiren-bütadien-stiren polimer matrisinde polidopamin kaplı silika parçacıklar ve gümüş nanopartiküller içeren bir kompozit kaplama, kendi kendine onarabilen antibakteriyel bir kaplama olarak sunulmuştur. %90'dan fazla antibakteriyel aktivite elde edilmiş ve polidopaminin fototermal etkisi sayesinde lazer ışığı kullanılarak mikron boyutlu çiziklerin 10 dakika içinde kendiliğinden iyileşmesi sağlanmıştır.