Prace Oryginalne Polim. Me. 2014, 44, 1, 29 37 IN 0370-0747 Coyright by Wroclaw Meical University Aneta Liber-Kneć A F, ylwia Łagan A F Zastosowanie omiarów kąta zwilżania i swobonej energii owierzchniowej o charakterystyki owierzchni olimerów wykorzystywanych w meycynie The Use of Contact Angle an the urface Free Energy as the urface Characteristics of the Polymers Use in Meicine Zakła Mechaniki Doświaczalnej i Biomechaniki, Instytut Mechaniki tosowanej, Wyział Mechaniczny, Politechnika Krakowska, Kraków, Polska A koncecja i rojekt baania; B gromazenie i/lub zestawianie anych; C analiza i interretacja anych; D naisanie artykułu; E krytyczne zrecenzowanie artykułu; F zatwierzenie ostatecznej wersji artykułu; G inne treszczenie Wrowazenie. W rocesie oziaływania imlant organizm żywy istotną rolę ełni warstwa wierzchnia materiału. Wiele baań z zieziny inżynierii biomateriałów otyczy chemii owierzchni. Cel racy. Ocena zmiany właściwości warstwy wierzchniej olimerów na skutek rocesu egraacji hyrolitycznej na ostawie omiarów kąta zwilżania i kalkulacji swobonej energii owierzchniowej. Materiał i metoy. Baania zwilżalności rzerowazono la wóch tyów olimerów: olilaktyu (PLA) i olihyroksyalkanianu (PHA) oanych rocesowi egraacji hyrolitycznej rzez 27 miesięcy. Na ostawie oznaczonych kątów zwilżania obliczono wartości swobonej energii owierzchniowej metoą Owensa-Wenta oraz określono krytyczne naięcie owierzchniowe. Wyniki. Powierzchnia obu baanych olimerów ma charakter hyrofilowy. Degraacja hyrolityczna wływa na zwiększenie wartości swobonej energii owierzchniowej oraz krytycznego naięcia owierzchniowego. Wnioski. Zastosowana metoyka może stanowić łatwo ostęną metoę wstęnej oceny materiału z unktu wizenia zolności o ahezji komórek oraz ostęu rocesu egraacji (Polim. Me. 2014, 44, 1, 29 37). łowa kluczowe: kąt zwilżania, swobona energia owierzchniowa, biomateriały, olimery bioegraowalne. Abstract Backgroun. In the interaction rocess between imlant an a living organism an imortant role is covere by the material layer. Many stuies in the fiel of chemical engineering concern biomaterials surface. Objectives. Changes estimation of roerties of olymers surface layer ue to hyrolytic egraation on the base on measurements of contact angles an calculation of the surface free energy. Material an Methos. Contact angle measurements were mae for the two olymers: olylactie (PLA) an olyhyroxyalkanoate (PHA) unergoing the hyrolytic egraation rocess over a erio of 27 months. Base on the measure values of contact angles, surface free energy by the Owens-Went metho an the critical surface tension were calculate. Results. The surface for both teste olymers is hyrohilic. Hyrolytic egraation influences the growth of the surface free energy an the critical surface tension. Conclusions. Methoology can be a easily available for the initial assessment of the material from the oint of view of the ability to cell ahesion an the rogress of the egraation rocess (Polim. Me. 2014, 44, 1, 29 37). Key wors: contact angle, surface free energy, biomaterials, bioegraable olymers.
30 A. Liber-Kneć,. Łagan O ostawowych cechach wielu wyrobów z materiałów olimerowych, a szczególnie imlantów, rozstrzygają właściwości warstwy wierzchniej materiału, z którego są one wykonane. Warstwa wierzchnia, która charakteryzuje się omienną strukturą o rzenia materiału, sełnia różne funkcje i jest oawana ziałaniu różnych czynników w zależności o rzeznaczenia wyrobu [1]. Organizm żywy reaguje na biomateriał orzez jego warstwę owierzchniową. Ocenia się, że oziaływania mięzy warstwą wierzchnią biomateriału a organizmem żywym otyczą nie więcej niż 5 Å oniżej warstwy owierzchniowej materiału. Dlatego wiele baań z zieziny inżynierii biomateriałów otyczy chemii owierzchni [2]. Do najważniejszych arametrów materiału imlantacyjnego, które mogą korelować z bioreaktywnością należą takie wskaźniki, jak: hyrofilowość/hyrofobowość, obecność gru funkcyjnych, chroowatość [3]. Bioreaktywność weług Ratnera jest to zolność materiału o wzbuzenia określonej oowiezi tkanki/komórki. Wśró ostawowych reakcji na zaimlantowany materiał wymienia się: asorcję białek, ahezję bakterii, fagocytozę, hemolizę, aktywację łytek, ahezję łytek, bioegraację. Oziaływania mięzy owierzchnią materiału imlantacyjnego a śroowiskiem biologicznym in vitro lub in vivo są związane z właściwościami warstwy wierzchniej materiału, sośró których najistotniejsze są te otyczące toografii, zwilżalności, skłau chemicznego i energii owierzchniowej. Dla biomateriałów swobona energia owierzchniowa EP (ang. FE urface Free Energy) może służyć o oceny stonia oziaływania mięzy materiałem a organizmem żywym. W rzyaku owierzchni, które charakteryzują się użą wartością energii owierzchniowej asorcja białek i bęąca jej nastęstwem ahezja komórek jest obra. Owrotne zjawisko wystęuje la materiałów z małą wartością energii owierzchniowej. Dla owierzchni z użą energią owierzchniową na granicy komórka ciało stałe (tkanka imlant) w orównaniu z sumą energii owierzchniowych mięzy fazami komórka ciecz oraz ciało stałe wystęuje mniejsze rawooobieństwo ahezji o owierzchni ciała stałego. Należy jenak określić, że silnie hyrofilowe owierzchnie (barzo uża EP), jak n. hyrożele czy metakrylany, nie srzyjają ahezji [4, 5]. Ahezja komórek o owierzchni biomateriału jest ważna w rzyaku imlantów ortoeycznych lub stomatologicznych, gyż wływa na roces integracji imlantu z tkanką. Z kolei w niektórych klinicznych zastosowaniach, n. zastawki serca, urzązenia służące o ializy mała asorcja białek, która ogranicza roces krzenięcia krwi jest ożąana. Mała wartość energii owierzchniowej jest również korzystna w rzyaku materiałów wykorzystywanych o wytwarzania soczewek wewnątrzgałkowych i kontaktowych. Proces ahezji komórek jest skomlikowany i eterminowany rzez wiele czynników, nie tylko wsomnianą energię owierzchniową, może jenak ona stanowić ość rosty wskaźnik ający nam wstęne informacje na temat ahezji komórek, może również być miarą chemicznej i biologicznej oorności owierzchni materiału na bioegraację [6, 7]. Po koniec lat 60. XX wieku Robert Baier [8] baał rolę energii owierzchniowej biomateriałów w trombogenezie. Wynikiem rowazonych baań i stuiów literaturowych była korelacja stonia biologicznych interakcji z wartością krytycznej swobonej energii owierzchniowej (ryc. 1). Weług zaroonowanej hiotezy owierzchnia materiału z tzw. krytyczną energią owierzchniową na oziomie 20 30 [10 3 N/m] charakteryzuje się atrombogennością i została określona rzez Baiera jako hiotetyczna strefa biokomatybilności, rozumianej jako strefa minimalnej ahezji komórek. Z kolei materiały charakteryzujące się krytyczną energią owierzchniową owyżej 40 [10 3 N/m] srzyjają ahezji komórek. tanowią więc obre materiały szczególnie la ortoeii, gzie ahezja komórek o owierzchni imlantu oraz rzerastanie imlantu tkankami stanowią kluczową rolę w rocesie jego wgajania [8]. Należy jenak amiętać, iż w baaniach laboratoryjnych in vitro symuluje się warunki śroowiska naturalnego, zatem są one obarczone ewnym błęem. Kosztowność oraz wzglęy etyczne baań klinicznych in vivo, szczególnie na wczesnym etaie, kierują jenak uwagę baaczy ku baaniom laboratoryjnym. Związana z energią owierzchniową zwilżalność owierzchni materiału jest również rzyatnym arametrem służącym o oceny biologicznych oziaływań mięzy materiałem a organizmem żywym. W rzyaku rojektowania właściwości materiałów na imlanty oziaływania te otyczą rzee wszystkim zjawisk, takich jak asorcja białek, której nastęstwem są ahezja i namnażanie komórek. Prace baawcze [4, 5, 7] rowazone w celu oceny wływu zwilżalności owierzchni i owiązaną z nią hyrofobowością lub hyrofilowością na oziaływania biomateriał śroowisko biologiczne Ryc. 1. Zależność mięzy biokomatybilnością i krytycznym naięciem owierzchniowym ciała stałego [3, 8] Fig. 1. Correlation of biological interactions an relative surface energy of soli [3, 8]
Charakterystyka owierzchni olimerów wykorzystywanych w meycynie 31 okazały mięzy innymi, że liczba zaasorbowanych białek zwiększa się, kiey owierzchnia materiału staje się barziej hyrofobowa, z kolei zmiany konformacyjne zaasorbowanych białek zachozą, gy owierzchnia staje się barziej hyrofilowa. Powierzchnie biomateriałów w roztworach wonych oziałują z molekułami woy. W rzyaku owierzchni olarnych najsilniejsze oziaływania są związane z interakcją mięzy woą a kwasem Lewisa bęącym akcetorem elektronów lub zasaową gruą funkcyjną bęącą onorem elektronów. Drugim oziaływaniem mięzy hyrofilową owierzchnią a woą są oziaływania mięzycząsteczkowe (jonowe, van er Waalsa). W rzyaku owierzchni hyrofobowych ich oziaływania z cząstkami rozuszczalnika wystęują głównie zięki wiązaniom van er Waalsa, nie ma oziaływań onor elektron i akcetor elektron [4, 9]. Polimery z gruy oliestrów alifatycznych, n. olilakty, olihyroksyalkaniany ze wzglęu na bioegraowalność oraz immunologiczną obojętność znajują zastosowanie w meycynie. Polihyroksyalkaniany (PHA) są wytwarzane rzez wiele mikroorganizmów i gromazone w ostaci granulek w cytolazmie ich komórek jako materiał zaasowy. PHA wykazują małą cytotoksyczność, onieważ ich monomery wystęują w organizmie luzkim jako roukty metabolizmu. PHA mają właściwości zbliżone o konwencjonalnych materiałów olimerowych. ą owszechnie stosowane jako biomateriały o roukcji nici chirurgicznych oraz oatrunków [10 12]. Polilakty (PLA) jest jenym z niewielu olimerów ochozenia naturalnego, który znajuje raktyczne zastosowanie w roukcji nici chirurgicznych i imlantów. Jego właściwości mechaniczne wystarczają o rzenoszenia obciążeń mechanicznych wystęujących w organizmie luzkim. Polimer ten ulega jenak łatwo rocesowi egraacji hyrolitycznej zarówno w warunkach enzymatycznych, jak i nieenzymatycznych. Duża oatność PLA na hyrolizę jest niekorzystna w rzyaku stałego kontaktu ze śroowiskiem biologicznym w rzyaku ługotrwałego wsomagania leczonych tkanek [11, 13]. Proces egraacji hyrolitycznej oliestrów alifatycznych był rzemiotem wielu baań [14 16]. Wykazano, iż roces egraacji większości wyrobów z olikatyu jest szybszy wewnątrz materiału niż na jego owierzchni, co jest wynikiem efektu autokatalitycznego. Dla oliestrów alifatycznych szybkość hyrolizy zależy o temeratury, struktury molekularnej, gęstości gru estrowych, rozaju meiów oraz obciążeń mechanicznych [17, 18]. Przebieg rocesu egraacji olimerów o wływem inkubacji w różnych łynach (n. w wozie estylowanej, BF, łynie Ringera) w temeraturze 37 C najczęściej ocenia się na ostawie zmian masy cząsteczkowej [17 19] oraz masy baanych róbek [17], zmian arametrów wytrzymałościowych, zmian H i rzewonictwa łynów inkubacyjnych w funkcji czasu inkubacji materiałów, obserwacji mikroskoowych (EM) zmian zachozących na owierzchni inkubowanych materiałów [17, 19, 20, 21]. Celem baań niniejszej racy było oznaczenie swobonej energii owierzchniowej oraz krytycznego naięcia owierzchniowego la wóch olimerów wykorzystywanych w imlantologii ulegających rocesom bioegraacji: olilaktyu (PLA) oraz olihyroksyalkanianu (PHA) na ostawie omiarów kąta zwilżania. Doatkowo oceniono zmiany EP la baanych olimerów, które były inkubowane w wozie estylowanej rzez 27 miesięcy w celu oceny wływu egraacji na zmianę charakteru owierzchni baanych olimerów. Zastosowana metoa określania i obliczania swobonej energii owierzchniowej materiałów olimerowych na ostawie omiarów kąta zwilżania ma istotne znaczenie ze wzglęu na łatwość rzerowazania omiarów i użą okłaność uzyskiwanych wyników, jest również jeną z ostawowych meto wykorzystanych o charakterystyki owierzchni olimerów biomeycznych [1, 22 26]. Niewiele jest jenak oniesień na temat omiarów zmian kąta zwilżania i swobonej energii owierzchniowej olimerów oanych ługotrwałemu rocesowi egraacji. Materiał i metoy W laboratorium Zakłau Mechaniki Doświaczalnej i Biomechaniki Politechniki Krakowskiej rzerowazono analizę kątów zwilżania i swobonej energii owierzchniowej (EP) la wóch ostęnych komercyjnie olimerów bioegraowalnych z gruy oliestrów alifatycznych roukcji francuskiej firmy Naturelast: olilaktyu (PLA) i olihyroksyalkanianu (PHA). Próbki o baań wykonano metoą wtrysku z użyciem wtryskarki Krauss-Maffei tyu KM 40-125 w temeraturze wtrysku zgonej z zaleceniami roucenta olimerów. Polimery inkubowano w wozie estylowanej w temeraturze 37 C rzez 27 miesięcy, okonując omiarów kąta zwilżania o 3, 9 i 27 miesiącach. Pomiar kąta zwilżania krolą cieczy naniesionej na nieruchome ołoże (warstwę wierzchnią materiałów) został wykonany na stanowisku baawczym złożonym z aaratu czeskiej firmy Avex Instruments zintegrowanego z kamerą o wykonywania zjęć kroli cieczy naniesionej na owierzchnię róbki i rogramu ee ystem o analizy zarejestrowanego obrazu kroli. Ciecze omiarowe o objętości 0,4 µl były nanoszone na owierzchnię baanych róbek za omocą mikroiety. Pomiary kąta zwilżania wykonano z użyciem trzech cieczy: woy estylowanej (θ w ) (ro. Poch.A.), ijoometanu (θ ) (ro. Merck s.z o.o.). oraz gliceryny bezwonej (θ g ) (ro. Chemur). Ciecze omiarowe obrano w taki sosób, aby jena z nich charakteryzowała się możliwie użą wartością skłaowej olarnej (woa), a ruga była cieczą yser-
32 A. Liber-Kneć,. Łagan syjną (ijoometan). Taki obór cieczy ozwala minimalizować wływ błęów wystęujących oczas określania wartości skłaowych EP olarnej i ysersyjnej cieczy omiarowych na obliczoną EP materiału [6, 22]. W celu wyznaczenia wartości krytycznej energii owierzchniowej metoą Zismana wykorzystano oatkowo glicerynę bezwoną o omiaru kąta zwilżania rze 27-miesięczną inkubacją i o niej. Przyjęte o obliczeń wartości swobonych energii owierzchniowych (EP) oraz ich skłaowe: olarną i ysersyjną la metoy Owensa-Wenta oano w tabeli 1. Pomiar wszystkimi cieczami był wykonywany co najmniej 10 razy la wszystkich baanych róbek. Oznaczone wartości kąta zwilżania oraz swobonej energii owierzchniowej zostały okazane jako wartości śrenie z ochyleniem stanarowym (X ± D). Ryc. 2. Krola cieczy ozostająca w równowaze z łaską owierzchnią ciała stałego, γ L swobona energia owierzchniowa na granicy ciało stałe ciecz, γ V swobona energia owierzchniowa na granicy ciało stałe ara nasycona cieczy, γ LV swobona energia owierzchniowa na granicy ciecz ara nasycona cieczy [1] Fig. 2. Liqui rolet remaining in equilibrium state with flat soli surface: γ L free surface energy between soli liqui, γ V free surface energy between soli vaor, γ LV free surface energy between liqui vaor [1] Tabela 1. Wartości EP i oszczególnych ich skłaowych la cieczy omiarowych stosowanych w metozie Owensa- -Wenta [1] Table 1. Values of free surface energy an its comonents for measurement liquis use in Owens-Went metho [1] Ciecz omiarowa γ L γ L Metoy określania wartości swobonej energii owierzchniowej [1, 22] γ L Woa estylowana 72,8 21,8 51,0 Dijoometan 50,8 50,8 0 Gliceryna 64,0 34,0 30,0 Miarą ilościową zwilżalności zarówno la ciał stałych, jak i cieczy jest kąt zwilżania θ. Jest to kąt utworzony rzez owierzchnię ciała stałego i łaszczyznę styczną o owierzchni cieczy w unkcie styku z ciałem stałym lub o owierzchni wóch stykających się cieczy (ryc. 2). Zmierzona wartość kąta zwilżania oraz równanie Younga (1) stanowią ostawę obliczeń wartości swobonej energii owierzchniowej. Równanie to zostało wyrowazone z warunku równowagi sił rerezentujących oowienie naięcia owierzchniowe w unkcie styku trzech faz: ciała stałego, cieczy i ary: σ V = σ L + σ LV cosθ, (1) gzie: σ V naięcie owierzchniowe ciała stałego (biomateriału) w równowaze z arą nasyconą cieczy, σ L naięcie owierzchniowe ciała stałego i cieczy, σ LV naięcie owierzchniowe cieczy w równowaze z arą nasyconą tej cieczy, θ kąt, jaki tworzy styczna o owierzchni kroli omiarowej osazonej na owierzchni ciała stałego w unkcie styku trzech faz (równowagowy kąt zwilżania). Do wyznaczania swobonej energii owierzchniowej tworzyw wykorzystuje się równanie Younga w formie rzekształconej (2): γ = γ L + γ L cosθ, (2) gzie: γ swobona energia owierzchniowa ciała stałego, γ L swobona energia owierzchniowa ciała stałego w kontakcie z cieczą, γ L swobona energia owierzchniowa cieczy omiarowej. Wystęujące w równaniu (2) wartości γ L oraz θ można wyznaczyć na ostawie omiarów, jenakże wyznaczenie ozostałych wóch wielkości: γ i γ L wymaga rzyjęcia oatkowych założeń o związkach zachozących mięzy oszczególnymi wielkościami γ L, γ i γ L. Baania naukowe rowazone w tej ziezinie orowaziły o określenia różnych meto określania wartości swobonej energii owierzchniowej materiałów. Postawowe znaczenie la obliczeń swobonej energii owierzchniowej materiałów olimerowych ma metoa Owensa-Wenta. Metoy obliczeń EP materiałów olimerowych oarte na metozie Owensa-Wenta [1, 22] Zastosowany w analizach moel Owensa-Wenta wymaga stosowania wóch cieczy (jenej olarnej oraz rugiej ysersyjnej). tosując ten moel, otrzymuje się rzybliżenie, uznając śrenią geometryczną γ (owierzchni) i γ L (cieczy) skłaowych olarnych. W moelu Owensa-Wenta wykorzystuje się nastęujące wzory analityczne (3) i (4): γ = γ + γ, (3) γ skłaowa ysersyjna (Lifshitza-Van er Wallsa {LW}) γ skłaowa olarna (Lewis kwas zasaa {AB}): L γ ( 1+ cosθ) = 2 γ γ + 2 γ γ. (4) L L
Charakterystyka owierzchni olimerów wykorzystywanych w meycynie 33 W równaniu (4) są obecne wie niewiaome γ oraz γ, zatem nie wystarcza ono o wyznaczenia wartości swobonej energii owierzchniowej. W związku z tym w omiarach kąta zwilżalności wykorzystuje się wie ciecze, co rowazi o uzyskania ukłau równań liniowych ze wsółczynnikami o stałych wartościach (5): x + ay = b(1 + cosθ1 ). (5) x + cy = (1 + cos θ ) W owyższym równaniu (5) a, b, c, są to wsółczynniki związane z cieczami omiarowymi, θ 1, θ 2 są wartościami kątów zwilżania oznaczonymi z użyciem wóch cieczy omiarowych, a niewiaome x i y: x = γ, 2 y = γ. Do omiarów kątów zwilżania wybiera się wie ciecze o różnych charakterach, co ozwala na ograniczenie wływu błęów w określaniu wartości skłaowych γ L, γ L, najczęściej stosuje się ijoometan i woę [1, 22]. Wśró innych meto określania EP la materiałów olimerowych wyróżnia się metoa Zismana, służąca o wyznaczania tzw. krytycznej swobonej energii owierzchniowej γ C. W omiarach wykorzystuje się kilka cieczy z anego szeregu homologicznego, a na ostawie wyników oświaczalnych generuje się wykres w ukłazie wsółrzęnych, w którym oś ociętych stanowi wartość γ L wykorzystanych cieczy, na osi rzęnych natomiast efiniuje się cosinus kątów zwilżania θ i. Wartości (cos θ) wykorzystanych w baaniach cieczy z szeregu n-alkanów formują w rzybliżeniu linię rostą, a ekstraolacja wykresu o unktu cos θ = 1 ozwala wyznaczyć γ C równej wartości ociętej w tym unkcie [1, 22]. W ten sosób można wyznaczyć równanie rostej (6) w zefiniowanym ukłazie wsółrzęnym, w którym b jest wsółczynnikiem kierunkowym rostej: cosθ = 1+ b( γ + γ ) (6). Wykorzystując równania (2) i (6) la baanego materiału, można oisać zależność mięzy swoboną C L energią owierzchniową (γ ) a krytyczną swoboną energią owierzchniową (γ C ): 2 ( b γ C + 1) γ = (7). 4b Wyniki i omówienie Przykłaowe zjęcie kroli ijoometanu oraz woy estylowanej naniesionej na owierzchnię olilaktyu okazano na rycinie 3. Wyniki omiarów kąta zwilżania la róbek olimerów rze inkubacją w wozie estylowanej i o niej orównano w tabeli 2. Zarówno olilakty, jak i olihyroksyalkanian mają hyrofilowy charakter owierzchni. Inkubacja olimerów w wozie estylowanej sowoowała zmniejszenie wartości kąta zwilżania o 27 miesiącach o 7,6% la PLA i 14% la PHA, charakter owierzchni ozostał jenak hyrofilowy. W rzyaku PLA o 6 i 9 miesiącach inkubacji zaobserwowano zwiększenie wartości kąta zwilżania, a nastęnie jej zmniejszenie, co wymaga alszych baań w celu wyjaśnienia tych zmian. Tabela 2. Wyniki omiarów kąta zwilżania la olilaktyu i olihyroksyalkanianu rze inkubacją w wozie estylowanej i o niej la wóch cieczy omiarowych Table 2. The results of contact angle measurements for olylactie an olyhyroxyalkanoate before an after incubation in istille water for two measurement liquis Czas inkubacji (miesiące) Kąt zwilżania [ ] PLA woa estylowana ijoometan PHA woa estylowana ijoometan 0 69,2 ± 1,3 35,8 ± 1,5 75,7 ± 1,1 28,9 ± 1,9 6 73,1 ± 1,9 35,6 ± 1,1 75,3 ± 1,7 31,2 ± 1,4 9 79,4 ± 1,5 45,9 ± 1,3 66,8 ± 1,3 31,2 ± 1,8 27 63,9 ± 1,9 31,2 ± 1,2 65,1 ± 1,2 25,5 ± 1,9 Ryc. 3. Zjęcie kroli ijoometanu (o lewej) i woy estylowanej naniesionych na owierzchnię olilaktyu Fig. 3. The hoto of the iioomethane (left) an istille water ro eosite on the olylactie surface
34 A. Liber-Kneć,. Łagan Wartość kąta zwilżania oznaczona la PLA rze inkubacją z użyciem woy estylowanej jest mniejsza o wartości oznaczonej rzez Pinto et al. [23], ale jest zbliżona o wartości kąta zwilżania oznaczonej rzez Corrello et al. [27] z wykorzystaniem glicerolu, który tak jak woa jest cieczą olarną. Wartość oznaczonego kąta zwilżania la PLA z użyciem ijoometanu jest zbliżona o uzyskanej rzez Wan et al. [26] (37 ), ale różni się o wartości kąta oznaczonej z zastosowaniem woy estylowanej (78 ). Oznaczona rzez Kang et al. [24] wartość kąta zwilżania la PHA nieinkubowanego wyniosła 75 ± 2 i jest jenakowa z oznaczoną wartością. Nie ma oniesień o zmianie kąta zwilżania na skutek ługotrwałego rocesu inkubacji PLA i PHA. Pamuła et al. [28] baała zmiany wartości kąta zwilżania la koolimeru laktyu z glikoliem inkubowanego w PB o tem. 37 C rzez 7 tygoni. Oznaczona wartość kąta zwilżania nieznacznie sała z 77,2 na 76,1. W tabeli 3 zestawiono wartości obliczonej na ostawie omiarów kątów zwilżania swobonej energii owierzchniowej wg moelu Owensa-Wenta. Uział skłaowej ysersyjnej w sumarycznej wartości swobonej energii owierzchniowej jest większy la obu baanych olimerów. Dla baanych olimerów wartość swobonej energii owierzchniowej nieznacznie wzrosła o 27 miesiącach inkubacji róbek w stosunku o róbek nieinkubowanych, zwiekszenie wartości zaobserwowano la PHA. Oznaczona wartość swobonej energii owierzchniowej la PLA nieinkubowanego ma wyższą wartość niż rezentowana w racy [26], gzie wartość swobonej energii owierzchniowej γ s = 43,2 mj/m 2, a skłaowe: olarna γ s = 10,7 mj/m 2 i ysersyjna γ s = 32,5 mj/m 2. Zheng et al. [25] oznaczali EP la olihyroksymaśla- Tabela 3. wobona energia owierzchniowa obliczona na ostawie omiarów kąta zwilżania la olilaktyu i olihyroksyalkanianu rze inkubacją w wozie estylowanej i o inkubacji Table 3. The free surface energy calculate from contact angles for olylactie an olyhyroxyalkonate before an after incubation in istille water Ciecz omiarowa Czas inkubacji (miesiące) γ s γ s PLA γ s 0 48,85 ± 1,55 7,23 ± 0,55 41,62 ± 1,00 6 47,27 ± 1,63 5,55 ± 0,90 41,72 ± 0,73 9 40,84 ± 1,54 4,34 ± 0,55 36,50 ± 0,99 27 52,81 ± 1,79 9,12 ± 1,07 43,69 ± 0,72 PHA 0 48,57 ± 1,24 3,95 ± 0,24 44,62 ± 1,00 6 47,97 ± 2,08 4,28 ± 0,59 43,69 ± 1,49 9 51,44 ± 1,53 7,75 ± 0,53 43,69 ± 1,00 27 53,85 ± 1,57 7,90 ± 0,54 45,95 ± 1,03 γ c = 41,68 Ryc. 4. Wykres Zismana la PLA rze inkubacją Fig. 4. Zisman lot for PLA before incubation γ c = 43,10 Ryc. 5. Wykres Zismana la PLA o inkubacji Fig. 5. Zisman lot for PLA after 27 months of incubation nu (PHB) z roziny olihyroksyalkanianów, uzyskując wartość γ s = 45 mj/m 2, nieznacznie mniejszą niż oznaczona w baaniach własnych la PHA. Wartość kąta zwilżania owierzchni baanych olimerów określona z użyciem gliceryny bezwonej zmieniła się z wartości 67,2 ± 0,9 rze inkubacją na wartość 63,3 ± 1,1 o 27 miesiącach inkubacji la PLA, a la PHA z 74,7 ± 3,3 na 65,8 ± 3,7. Oznaczone wartości kąta zwilżania osłużyły o wyznaczenia trzeciego unktu wykresu Zismana. Wyznaczona metoą Zismana wartość krytycznej swobonej energii owierzchniowej zarówno la PLA (ryc. 4), jaki i la PHA (ryc. 6) rzekracza wartość 40 mj/m 2, co stanowi zakres obrej bioahezji [3, 8, 29]. Dla róbek inkubowanych w wozie estylowanej w trakcie rocesu bioegraacji nastąiło nieznaczne zwiększenie wartości krytycznej swobonej energii owierzchniowej (ryc. 5 i 7). Rezultatem wzrostu wartości krytycznej swobonej energii owierzchniowej jest zwiększenie ahezji komórek i roliferacja komórek, takich jak fibroblasty, komórki mięśni głakich oraz komórki nabłonkowe [29]. Analiza charakteru warstwy wierzchniej o wzglęem zwilżalności (hyrofobowości lub hyrofilowości) ozwala na ocenę, mięzy innymi, zachowania komórek organizmu w obecności warstwy wierzchniej materiału.
Charakterystyka owierzchni olimerów wykorzystywanych w meycynie 35 γ c = 45,56 Ryc. 6. Wykres Zismana la PHA rze inkubacją Fig. 6. Zisman lot for PHA before incubation γ c = 46,10 Ryc. 7. Wykres Zismana la PHA o 27 miesiącach inkubacji Fig. 7. Zisman lot for PLA after 27 months of incubation Oba baane olimery charakteryzują się hyrofilowością, co srzyja ahezji komórek [30]. Należy jenak amiętać, iż łyny ustrojowe skłaają się z woy, różnych białek i komórek, latego mogą ojawić się synergiczne oziaływania, zatem truno jest rzewizieć okłany mechanizm oziaływania owierzchni hyrofilowych i hyrofobowych ze śroowiskiem biologicznym. Analiza ostęnego iśmiennictwa [31 35] oraz rzerowazone baania ozwalają na sformułowanie wniosku o rzyatności omiarów kąta zwilżania i EP jako arametrów służących o oceny stonia zmian bioegraacji w rzyaku oowiezi tkankowej. Poznanie czasu beziecznego użytkowania lub czasu egraacji biologicznej w warunkach laboratoryjnych, które obiegają o tych anujących w śroowisku naturalnym ozwala jeynie na rzybliżoną ocenę. Doatkowo rzebieg rocesu zależy o wielu czynników, tj.: o obecności tlenu, zmian H, temeratury, wilgotności oraz obecności mikroorganizmów [6]. zeroko rowazone wsółcześnie baania cytotoksyczności olimerów bioegraujących zarówno in vivo, jak i in vitro wskazują na różny oziom biozgoności w oniesieniu o różnych tkanek, latego też w ocenie ługofalowej istotne są metoy oceny stonia bioegraacji materiałów w różnych śroowiskach. Niestety z uwagi na złożony charakter reakcji mięzy organizmem gosoarza a imlantem oraz secyficzne wymagania, jakie stawia się biomateriałom w asekcie biozgoności, biofunkcjonalności oraz bioreaktywności rezentowane wyniki analiz obejmują jeynie wybrane elementy szczegółowych baań uzależnione o zainteresowań zesołów baawczych. Na ostawie rzegląu ostęnej literatury można jenak wyznaczyć kierunek komleksowych baań i analiz ających oowieź na temat wływu materiałów bioegraujących (PLA, PHA) zarówno w rzyaku zastosowań w farmacji w systemach sterowanego uwalniania leków, jak i w oniesieniu o kinetyki zmian i umiejscowienia imlantów bioegraujących [37 39]. Dzięki analizom możliwości hoowli wybranych linii komórkowych w kontakcie z materiałami bioegraowalnymi [39, 40] ocenia się ich biozgoność oraz ewentualną możliwość wykorzystania na rusztowania w inżynierii tkankowej [41]. Prowaząc baania oznaczania stonia egraacji oraz kinetyki zmian o wływem czynników zewnętrznych, należy jenak amiętać o tym, że symulując śroowisko biologiczne, otrzymuje się rzybliżone wyniki, a weryfikacja błęu jest możliwa jeynie orzez rowazenie niezależnych baań rzez różne ośroki. Ograniczone oniesienia literaturowe z zakresu wyznaczania zmian kątów zwilżania, zmian swobonej energii owierzchniowej czy wyznaczania wartości krytycznej swobonej energii owierzchniowej la olimerów w trakcie rocesu bioegraacji ozostawiają otwarty temat interretacji wyników. Obiecujące treny rozwoju materiałów oracowywanych e novo, moyfikacji owierzchni imlantów oraz wrowazenia materiałów graientowych lub bioegraujących oszerzają obszar ich zastosowań meycznych. Pozwala to na rojektowanie materiałów o wzglęem zarówno wytrzymałości na zmienne obciążenia zewnętrzne i wewnętrzne, jak i otymalizacji strukturalnej. Zmiany kąta zwilżania oraz EP mogą służyć o oceny wływu śroowiska wonego na zmiany właściwości warstwy wierzchniej materiału oraz ostęu rocesu egraacji. Wymaga to jenak korelacji zmian kąta zwilżania i EP ze zmianami innych arametrów, tj. n. zmiany właściwości mechanicznych lub H i rzewoności wyciągów wonych z olimerów. Ocena kinetyki rocesu egraacji baanych olimerów na ostawie zmian różnych wskaźników bęzie rzemiotem innego oracowania.
36 A. Liber-Kneć,. Łagan Piśmiennictwo [1] Żenkiewicz M.: Ahezja i moyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. Wyawnictwo Naukowo- -Techniczne, Warszawa 2000. [2] Park J.B., Bronzino J.D.: Biomaterials: Princiles an alications, CRC Press, Nowy Jork, UA 2003. [3] Ratner B.D. et al.: Biomaterials cience: An Introuction to Materials in Meicine. Elsevier, New York, UA 2004. [4] Goar, J.M., Hotchkiss, J.H.: Polymer surface moification for the attachment of bioactive comouns. Progress Polym. ci. 2007, 32, 698 725. [5] Xu, L.C.: Effect of surface wettability an contact time on rotein ahesion to biomaterial surfaces. Biomaterials 2007, 28, 3273 3283. [6] Kaczmarek H., Bajer K.: Metoy baania bioegraacji materiałów olimerowych. Polimery 2006, 51, (10), 716 721. [7] Kim M.., Khang G., Lee H.B.: Graient olymer surfaces for biomeical alications. Progress Polym. ci. 2008, 33, 1, 138 164. [8] Baier R.E.: The role of surface energy in thrombogenesis. Bull. N.Y. Aca. Me. 1972, 48, 2, 257 272. [9] Van Oss C.J.: Hyrohobicity an hyrohilicity of biosurfaces. Curr. Oin. Colloi Interface ci. 1997, 2, 503 512. [10] Hazer B., Hazer D.B., Kilicay E.: Poly(3-hyroxyalkanoates)s: Diversification an biomeicalalications. A state of art review. Materials cience an Engineering C 2012, 32, 637 647. [11] Ishii D., Hui Ying T., Yamaoka T., Iwata T.: Characterization an biocomatibility of bioolyester nanofibers. Materials 2009, 2, 1520 1546. [12] Keshavarz T., Roy I.: Polyhyroxyalkanoates: biolastics with a green agena. Curr. Oin. Microbiol. 2010, 13, 321 326. [13] Lyu., Untereker D.: Degraability of Polymers for Imlantable Biomeical Devices. Int. J. Mol. ci. 2009, 10, 4033 4065. [14] Li., Girar A., Garreau H., Vert M.: Enzymatic egraation of olylactie stereocoolymers with reominant -lactyl contents. Polym. Degra. tab. 2000, 71 (1), 61 67. [15] Tsuji H.: Autocatalytic hyrolysis of amorhous-mae olylacties: effects of l-lactie content, tacticity, an enantiomeric olymer blening. Polymer 2002, 43, 1789 1796. [16] Nowak B., Pająk J.: Bioegraacja olilaktyu (PLA). Archiwum Gosoarki Oaami i Ochrony Śroowiska 2010, 12 (2), 1 10. [17] Vieira A.C., Vieira J.C., Ferra J.M., Magalhaes F.D., Guees R.M., Marques A.T.: Mechanical stuy of PLA PCL fibers uring in vitro egraation. J. Mech. Behav. Biome. Mater. 2011, 4 (3), 451 460. [18] aha.k., Tsuji H.: Enhance Crystallization of Poly(L-lactie-co-ecarolactone) in the Presence of Water. J. Al. Polym. ci. 2009, 112, 715 720. [19] Farrar D.F., Gilson R.K.: Hyrolytic egraation of olyglyconate B: the relationshi between egraation time, strength an molecular weight. Biomaterials 2002, 23, 3905 3912. [20] zaraniec B., Ziąbka M., Morawska-Chochół A., Chłoek J., Zebiak P., Piątek M., El Fray M.: Baania egraacji hyrolitycznej in vitro włókien resorbowalnych rzeznaczonych na imlanty meyczne. Inżynieria Biomateriałów/Engineering of Biomaterials 2007, 69 72, 114 117. [21] Ziąbka M., zaraniec B., Chłoek J.: Resorbowalne komozyty olimerowe la chirurgii kostnej. Przegl. Lek. 2007, 64, 216 219. [22] Żenkiewicz M.: Analiza głównych meto baania swobonej energii owierzchniowej materiałów olimerowych. Polimery 2007, 52, 10, 760 767. [23] Pinto A.M., Moreira., Goncalves I.C., Gama F.M., Menes A.M., Magalhaes F.D.: Biocomatibility of oly(lactic aci) with incororate grahene-base materials. Coll. urf. B: Biointerfaces 2013, 104, 229 238. [24] Kang I.K., Choi.H., hin D.., Yoon.C.: urface moification of olyhyroxyalkanoate films an their interaction with human fibroblasts. Int. J. Biol. Macromol. 2001, 28, 205 212. [25] Zheng Z., Bei F.F., Tian H.L., Chen G.Q.: Effects of crystallization of olyhyroxyalkanoate blen on surface hysicochemical roerties an interactions with rabbit articular cartilage chonrocytes. Biomaterials 2005, 26, 3537 3548. [26] Wan Y., Yang J., Yang J., Bei J., Wang.: Cell ahesion on gaseous lasma moifie oly-(l-lactie) surface uner shear stress fiel. Biomaterials 2003, 24, 3757 3764. [27] Correlo V.M., Pinho E.D., Pashkuleva I., Bhattacharya M., Neves N.M., Reis R.L.: Water absortion an egraation characteristics of chitosan-base olyesters an hyroxyaatite comosites. Macromol. Biosci. 2007, 7, 354 363. [28] Pamuła E., Dryzek E., Dobrzyński P.: Hyrolytic egraation of oly(l-lactie-co-glycolie) stuie by ositron annihilation lifetime sectroscoy an other techniques. ACTA Physica Polonica A 2006, 110(5), 631 640. [29] Busscher H.J., Weerkam A.H., Van Der Mei H.C., Van teenberghe D., Quirynen M., Pratt I.H., Marechal M., Rouxhet P.G.: Physico-chemical roerties of oral stretococcal cell surfaces an their relation with ahesion to soli substrata in vitro an in vivo Coll. urf. 1989, 42, 345 353. [30] Ryan J.A.: Evolution of Cell Culture urfaces. BioFiles 2008, 3.8, 21. [31] Xu L.C, ielecki C.A.: Effects of surface wettability an contact time on rotein ahesion to biomaterial surfaces. Biomaterials 2007, 28, 3273 3283. [32] Combe E.C, Owen B.A., Hoges J..: A rotocol for etermining the surface free energy of ental materials. Dent. Mater. 2004, 20, 262 268. [33] Harnett E.M., Alerman J., Woo T.: The surface energy of various biomaterials coate with ahesion molecules use in cell culture. Coll. urf. B: Biointerfaces 2007, 55, 90 97.
Charakterystyka owierzchni olimerów wykorzystywanych w meycynie 37 [34] Fuse Y., Hirata I, Kurihara H., Okazaki M.: Cell Ahesion an Proliferation Patterns on Mixe elf-assemble Monolayers Carrying Various Ratios of Hyroxyl an Methyl Grous. Dent. Mater. J. 2007, 26(6), 814 819. [35] Namen F., Galan J., Oliveira J., Cabreira R.: urface Proerties of Dental Polymers: Measurements of Contact Angles, Roughness an Fluorie Release. Mater. Res. 2008, 11, 3, 239 243. [36] Chen G.Q., Wu Q.: The alication of olyhyroxyalkanoates as tissue engineering materials. Biomaterials 2005, 26, 6565 6578. [37] Zhao K., Deng Y., Chen G.Q.: Effects of surface morhology on the biocomatibility of olyhyroxyalkonates. Biochem. Engineer. J. 2003, 16, 115 123. [38] enil D., Gursel I., Wise D.L., Hasirci V.: Antibiotic release from bioegraable PHBV microarticles. J. Control. Release 1999, 59, 207 217. [39] Wang Y.W., Yang F., Wu Q., Cheng Y.C., Yu P., Chen J., Chen G.Q.: Effect of comosition of oly(3-hyroxybutyrateco-3-hyroxyhexanoate) on growth of fibroblast an osteoblast. Biomaterials 2005, 26, 755 761. [40] Deng Y., Zhao K., Zhang X.F., Hu P., Chen G.Q.: tuy on the threeimensional roliferation of rabbit articular cartilageerive chonrocytes on olyhyroxyalkanoate scaffols. Biomaterials 2002, 23, 4049 4056. [41] Wang Y.C., Lin M.C., Wang D.M., Hsieh H.J.: Fabrication of a novel orous PGA-chitosan hybri matrix for tissue engineering. Biomaterials 2003, 24, 1047 1057. Ares o koresonencji: Aneta Liber-Kneć Zakła Mechaniki Doświaczalnej i Biomechaniki Instytut Mechaniki tosowanej Politechnika Krakowska Al. Jana Pawła II 37 31-864 Kraków Polska tel.: 12 628 33 45 e-mail: aliber@k.eu.l Konflikt interesów: nie wystęuje. Praca włynęła o Reakcji: 8.11.2013 r. Po recenzji: 4.03.2014 r. Zaakcetowano o ruku: 12.03.2014 r. Receive: 8.11.2013 Revise: 4.03.2014 Accete: 12.03.2014