Nanokompozytowe membrany włókniste; możliwości zastosowań medycznych

Transkrypt

1 Nanokompozytowe membrany włókniste; możliwości zastosowań medycznych Ewa Stodolak-Zych 1, Magdalena Kocot 2, Marta Juszczak 1, Maciej Boguń 3 1 Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, stodolak@agh.edu.pl 2 Wydział Elektroniki, Informatyki, Automatyki i Inżynierii Biomedycznej, Kraków 3 Wydział Technologii Materiałowych i Wzornictwa Tekstyliów, Politechnika Łódzka, Łódź

2 Membrana włóknista - biomimetyczna architektura macierzy ECM M. M. Stevens, J. H. George, Exploring and engineering the cell surface interface. Science (2005) Hierarchiczna budowa wielu tkanek ułatwia infiltracje, adhezję i proliferacje komórek a zatem przyspiesza regeneracje uszkodzenia. Większość tkanek wywodzących się z tkanki łącznej ma typową włóknistą mikrostrukturę pełniącą funkcje podłoża dla komórek (macierz zewnątrzkomórkowa, ECM).

3 Biomimetyczna (mikro)struktura włókien Biomimetyczna struktura(matryca polimerowa połączona z nanometrycznym napełniaczem) Nanometryczne lub submikronowe włókna tworzące splątaną sieć (rusztowanie) Warstwa wierzchnia kompozytu: nanowłókna z PLA Rusztowanie: włókna nanokompozytowe CA/Fe 3 O 4 :CA/HAp Biomimetryczn architektura macierzy zewnątrzkomórkowej wzbogaconej o nanocząstki stymulujące komórki do adhezji, proliferacji a tym samym regeneracji tkanki (TCP, HAp, SiO 2 ) albo ułatwiające monitorowanie procesu degradacji/regeneracji (Fe 3 O 4 )

4 Włókniste membrany nanokompozytowe Zastosowane nanonapełniacze: TCP SiO 2 HAp Fe 3 O 4 Badane kompozycje materiałowe: Matryca polimerowa Napełniacz materiał nanokompozytowy PLA (włókna polilaktydowe, Purac ) PAN (prekursor włókna węglowego, Sigma Aldrich) CA (włókna z alginianu wapnia, BioPolymer ) TCP (60 nm), SiO 2 (10-20 nm), HAp (80 nm). PLA/TCP, PLA/SiO 2, PLA CNF/TCP, CNF/SiO 2, CNF/HAp, CNF CA/TCP, CA/SiO 2, CA/HAP, CA CA/HAp:CA/Fe 3 O 4 pokrywane PLA

5 Zastosowanie membran włóknistych membrany nanokompozytowe na bazie PLA Nanokompozytowe włókna z PLA otrzymane drogą elektroprzędzenia zawierające dwa rodzaje napełniaczy: TCP i SiO 2 stanowią materiał o możliwych aplikacjach jako podłoże włókniste dla potrzeb inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej kości P.Picci, G.Sieberova, M.Alberghini, A.Balladelli, D. Vanel, P.C.W. Hogendoorn, M.Mercuri, Late sarcoma development after curettage and bone grafting of benign bone tumors, European Journal of Radiology 77(1):19-25

6 - włókna z PLA są hydrofilne (łatwo nasiąkają osoczem PRP) Włókniste membrany nanokompozytowe na bazie PLA PLA PLA/SiO 2 PLA/TCP Materiał Średnica włókien [nm] PLA 223 ± 24 PLA /SiO ± 47 PLA/TCP 356 ± 81 Polilaktydowe włókna nanokompozytowe: - umożliwiają przerastanie tkanki przez sieć włókien (PLA/TCP), - ułatwiają nukleacje apatytu kostnego na powierzchni podłoża (PLA/SiO 2 ),

7 Włókniste membrany na bazie PLA - właściwości PLA/SiO 2 PLA/TCP Po 7 dniach inkubacji w symulowanym osoczu (SBF) powierzchnia nanokompozytowych włókien pokrywa się warstwą apatytu kostnego

8 Zastosowanie membran włóknistych membrany węglowe CNF otrzymywane w drodze obróbki termicznej z PAN Złotym standardem w uszkodzeniach chrzestno-kostnych są przeszczepy allogeniczne, ze względu na braki występujące w Bankach Tkanek poszukuje się alternatywy w postaci implantów/membran stymulujących regeneracje tego typu uszkodzeń Lisa A. Fortier, Subchondral bone cysts: The Case of the Missing Bone, May 18, 2010

9 PAN CNF Nanowłókniste membrany węglowe, CNF Prekursor polimerowy, PAN PAN PAN/TCP PAN/SiO 2 PAN/HAp Nanowłókno węglowe, CNF PAN_TCP CNF_TCP CNF CNF/TCP CNF/SiO 2 CNF/HAp Obecność nanonapełniacza potwierdzona wynikami SEM/EDS. Skurcz materiału jest efektem obróbki termicznej (konwersja PAN do CNF)

10 RFUs x 10^3 Nanowłókniste membrany węglowe - właściwości CNF a b c dni 14 dni 21 dni Membrana węglowa obraz makroskopowy CNF/HAp Membrana węglowa z widocznym apatytem po 7 dn inkubacji w SBF CNF CNF_HAp CNF_SiO2 K CNF/SiO 2 Nanowłókna węglowe (CNF) są: biozgodne (NHOst, chondrocyty linii pierwotnych), bioaktywne (nukleacja apatytu in vitro), indukują komórki kostne do zwiększonej produkcji ALP, indukują proliferację komórek tkanki chrzęstnej

11 Zastosowanie membran włóknistych Hybrydowe membrany biopolimerowe na bazie CA modyfikowane nanometrycznym HAp i Fe 3 O 4 Lepsza wizualizacja implantow modyfikowanych magnetytem, bioaktywnosc wynikająca z obecności hydroksyapatytu a także mozliwosc monitorowania migracji cząstek w obrębie wszczepu (gdzie migruja nanocząstki po rozpadzie matrycy polimerowej)

12 Włókniste hybrydowe membrany biopolimerowe W1 W1 W2 W2 W3 W3 W4 W4 materiał kompozycja włókniny BET [g/m 2 ] W1 CA/HAp CA/Fe 3 O 4 90% : 10% 91.3 W2 CA/HAp CA/Fe 3 O 4 85% : 15% 93.2 W3 CA/HAp CA/Fe 3 O 4 50% : 50% 75.6 W4 CA/HAp CA/Fe 3 O 4 20% : 80% Włókniny złożone z dwóch rodzajów nanokompozytowych włókien: CA/HAp i CA/Fe 3 O 4 w różnym stosunku masowym, które dodatkowo mogą być porywane warstwą nanowłókiem z PLA.

13 Przewodnictwo jonowe [µs/cm] Hybrydowe membrany włókniste - właściwości W1 Powolna degradacja materiału biopolimerowego odbywa się na zasadzie wymiany jonowej, możliwa jednoczesna nukleacja apatytu kostnego na powierzchni włókien 1 150,0 130,0 110,0 Włóknina nanokompozytowa wzbogacana w HAp i Fe 3 O 4 (W1) po 3 miesiącach implantacji 90,0 70,0 50,0 W1 W2 W3 W Czas [tygodnie]

14 Wnioski membrany włókniste stanowią atrakcyjny materiał dla potrzeb zarówno inżynierii tkankowej jak i medycyny regeneracyjnej (wypełnienie stymulujące tkankę do szybszej regeneracji); odpowiedni nanododatek do matrycy polimerowej może indukować właściwości bioaktywne podłoża, regulować czas degradacji czy wpływać na odpowiedź komórkową, dodatkowo wspomagać obrazowanie (możliwość monitorowania procesu odbudowy kości); nadal otwarte pozostaje pytanie: gdzie migrują i aglomerują nanocząstki uwolnione z matrycy polimerowej: i jaki jest ich wpływ na pozostałe tkanki/narządy. Pomocą mogą okazać się tu badania zachowania się podłoża modyfikowanego nano-fe 3 O 4 i narzędzia jakim jest MRI.

15 Dziękuję za uwagę