Diss. Linköping : Linköpings universitet. Department of Physics, Chemistry and Biology, 2010

Påväxt av marina organismer på båtskrov har alltid varit ett gissel för sjöfarten. Havstulpanen, med sitt hårda skal och sitt stadiga fundament, är den mest ökända av havets fripassagerare. Med ett skrov täckt av havstulpaner kan man räkna med att fartyget får kraftigt försämrade prestanda och ökade bränslekostnader, med både högre kostnader och koldioxidutsläpp som följd. Många lösningar på det här problemet har föreslagits genom åren, och flera av dem har faktiskt varit riktigt effektiva. Tyvärr är ”effektiv” inte nödvändigtvis synonymt med ”bra” i detta fall. De flesta traditionella metoderna för att stoppa påväxt har inneburit att man täcker skrovet med en bottenfärg som innehåller biocider, alltså gifter riktade mot de påväxande organismerna. Alla dessa biocider läcker förr eller senare ut ur färgen och hamnar där de inte gör någon som helst nytta, nämligen i det omgivande havet och i dess bottensediment. I flera fall har detta visat sig leda till oacceptabla miljökonsekvenser. Den metod för att stoppa påväxt som tills ganska nyligen sågs som den bästa, och som faktiskt var extremt effektiv (nämligen bottenfärger som innehöll tributyltenn (TBT)-föreningar) är numera helt förbjuden. I Sverige har vi dessutom förbjudit flera andra biocider, t.ex. koppar, för fritidsbåtar på Ostkusten. Miljövänliga färger är dock inte alltid så effektiva som båtägarna skulle önska. Det finns ännu ingen bra lösning på det här problemet. Det här arbetet har bedrivits inom ramen för ett europeiskt forskningsprojekt som har som mål att hitta metoder för att minska marin påväxt med moderna metoder, utan att använda gifter. I princip handlar det om att förstå och motverka de processer som leder till att t.ex. havstulpaner sätter sig fast på ytor. En metod som vi arbetat med i det här arbetet har varit att designa ytor som inte tillåter att havstulpanlarvens klister fastnar, då den söker efter en lämplig plats att slå sig ned för resten av livet. Tanken är att larven då helt enkelt ska simma bort från skrovet och hitta någon mer bekväm, och för båtägaren mer fördelaktig, plats att sätta sig. För att kunna undersöka om den här idén fungerar har vi även utvecklat en ny teknik för att studera hur havstulpanslarver undersöker ytor innan de sätter sig fast. Vi har använt oss av tekniken ytplasmonresonans för att undersöka hur larven med sina ”fötter” (de främre delarna av ett antennpar, som larven använder för att undersöka sin omgivning) promenerar omkring över ytan och lämnar mikrometerstora ”fotavtryck”. Med hjälp av tekniken, som är extremt ytkänslig, kan man i direkt och i realtid se både larvernas ”fotsulor” och ”fotavtryck” underifrån. Huruvida det blir några avtryck eller inte verkar bero på ytkemin, vilket är lovande eftersom det tyder på att man kanske kan lura havstulpanen genom att tillverka en ogiftig bottenfärg som har en yta som larven inte tycker om, eller som den inte klarar av att sätta sig fast på. Även om steget är långt till en effektiv färg som fungerar efter de här principerna, är det viktigt att ha verktyg för att förstå hur havstulpanslarverna reagerar på ytans egenskaper. Vår nya metod är ett sådant verktyg, som förhoppningsvis kan leda till nya upptäckter inom det här området. Ytans effekt har också studerats i andra biologiska sammanhang, närmare bestämt för biomaterial i blodkontakt. Många material används rutinmässigt i kontakt med blod, men egentligen finns det fortfarande inget riktigt bra sätt att förhindra att blodet reagerar med ytan på olika sätt, vilket kan leda till negativa konsekvenser, både för materialet och för blodet. Vi har studerat hur man kan göra ytor mindre benägna att aktivera blodkoagulation och hur man kan minska risken att blodplättar sätter sig fast. Problemställningen har alltså vissa likheter med påväxtprojektet, och kanske gäller det också lösningen – i båda fallen har det visat sig att material som kraftigt minskar bindningen av proteiner till ytan är användbara.

Many applications share a substantial and yet unmet need for prediction and control of interactions between surfaces and proteins or living cells. Examples are blood-contacting biomaterials, biosensors, and non-toxic anti-biofouling coatings for ship hulls. The main focus of this thesis work has been the synthesis, characterization and properties of a group of coatings, designed for such applications. Many types of substrates, particularly plastics, were coated directly with ultrathin, hydrophilic polymer coatings, using a newly developed polymerization method initiated by short-wavelength ultraviolet light. The thesis contains eight papers and an introduction aimed to provide a context for the research work. The common theme, discussed and analyzed throughout the work, has been the minimization of non-specific binding of proteins to surfaces, thereby limiting the risk of uncontrolled attachment of cells and higher organisms. This has mainly been accomplished through the incorporation of monomer units bearing poly(ethylene glycol) (PEG) side chains in the coatings. Such PEG-containing “protein resistant” coatings have been used in this work as matrices for biosensor applications, as blood-contacting inert surfaces and as antibiofouling coatings for marine applications, with excellent results. The properties of the coatings, and their interactions with proteins and cells, have been thoroughly characterized using an array of techniques such as infrared spectroscopy, ellipsometry, atomic force microscopy, surface plasmon resonance and neutron reflectometry. In addition, other routes to fabricate coatings with high protein resistance have also been utilized. For instance, the versatility of the fabrication method has enabled the design of gradients with varying electrostatic charge, affecting the protein adsorption and leading to protein resistance in areas where the charges are balanced. This thesis also describes a novel application of imaging surface plasmon resonance for the investigation of the surface exploration behavior of marine biofouling organisms, in particular barnacle larvae. This technique allows for real-time assessment of the rate of surface exploration and the deposition of protein-based adhesives onto surfaces, a process which was previously very difficult to investigate experimentally. In this thesis, the method was applied to several model surface chemistries, including the hydrogels described above. The new method promises to provide insights into the interactions between biofouling organisms and a surface during the critical stages prior to permanent settlement, hopefully facilitating the development of antibiofouling coatings for marine applications.