Samodostosowujące się, biomimetyczne podłoża porowate w aspekcie hamowania aktywacji układu krzepnięcia

Samodostosowujące się, biomimetyczne podłoża porowate w aspekcie hamowania aktywacji układu krzepnięcia

  • Kierownik projektu: dr inż. Roman Major, Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie
  • Tytuł projektu: Samodostosowujące się, biomimetyczne podłoża porowate w aspekcie hamowania aktywacji układu krzepnięcia
  • Konkurs: SONATA 2, ogłoszony 15 września 2011 r.
  • Panel: ST8

Projekt łączy elementy współczesnej inżynierii materiałowej, biologii, biomechaniki i medycyny w poszukiwaniu analogów tkanek naturalnych, które będzie można zastosować w kardiochirurgii. Jego celem jest zrozumienie naukowe wpływu materiału z naniesioną biomimetyczną (podobną do naturalnej) powłoką porowatą na przepływ krwi. W ramach projektu wykonana zostanie wieloskalowa analiza i opis fenomenologiczny samoorganizujących się powłok porowatych o właściwościach antybakteryjnych, uwalniających leki i umożliwiających selektywną mobilizację komórkową.

W toku projektu zostaną przeprowadzone eksperymentalne badania z zastosowaniem nowoczesnego podejścia do wykonania biomateriałów kompozytowych oraz ich kompleksowej analizy. Materiały wytworzone w projekcie z założenia będą posiadały cechy biomechanicznie oraz morfologicznie imitujące struktury naturalne tkanek, co w przyszłości ma ułatwić wytwarzanie bioprotez.

Aby wytworzone i analizowane podłoża miały właściwości antybakteryjne, do ich struktury zostaną wprowadzone nanocząstki metali szlachetnych, głównie srebra i złota, z wykorzystaniem metod opartych na oddziaływaniach elektrostatycznych. Wprowadzenie nanocząstek metali szlachetnych zostanie wykonane metodą ablacji laserowej (PLD), rozpraszania magnetronowego (DC) oraz metodą chemiczną, mieszania soli metali szlachetnych z materiałami syntetycznymi. Metody fizyczne (PLD i DC) są z założenia trudniejsze do wykonania, niemniej wykonawcy projektu dysponują odpowiednim do ich zastosowania doświadczeniem

Zakłada się, że wytworzone w projekcie struktury mają umożliwiać selektywną mobilizację komórkową, czyli wpływaja na właściwe narastanie komórkowe i wytwarzanie tkanki. Jest to proces, który zachodzi podczas formowania naturalnego naczynia krwionośnego. Tego typu strukturę można nazwać biomimetyczną, czyli odwzorowującą naturalną budowę organu wewnętrznego człowieka. Właściwość ta sterowana będzie architekturą struktury powłoki porowatej nałożonej na litych podłożach oraz czynnikiem biologicznym – małymi fragmentami cząsteczek (domenami RGD) białka.

Adsorpcja białka na powierzchni sztucznych materiałów stanowi ważny czynnik biologiczny i biotechnologiczny. Planowana w projekcie przebudowa powierzchni materiału przy zastosowaniu kotwiczenia białek może wiele procesów biologicznych, takich jak kaskady krzepnięcia krwi (które w warunkach naturalnych są wywoływane przez uszkodzenie mechaniczne naczynia krwionośnego i polegają na wzajemnej aktywacji krążących w osoczu krwi nieaktywnych czynników krzepnięcia) lub aktywacją systemu immunologicznego, który umożliwia działanie mechanizmów organizmu, mających na celu jego ochronę przed chorobami, poprzez identyfikację i likwidowanie patogenów. Mechanizmy te wykrywają różnorakie odmiany czynników chorobotwórczych.

W przypadku koncepcji rozwijanej w projekcie, czyli naukowego zrozumienia i próby zrekonstruowania naturalnej struktury macierzy zewnątrzkomórkowej, która stanowi rusztowanie dla wzrostu komórek, białko może także zmienić sposób interakcji komórek z materiałem. Rys. 1. przedstawia schemat ideowy konstrukcji powierzchni tzw. analogu tkanki.

rysunek 1

Rys. 1. Schemat ideowy modyfikacji powierzchniowej

rysunek 2

Rys. 2. Powierzchnia funkcjonalna, hamująca aktywację układu krzepnięcia krwi. Komórki śródbłonka formujące monowarstwę, nahodowane na powierzchniach porowatych powłok syntetycznych.

Nadanie podłożu porowatemu funkcji nośnika leków, komórek i umożliwienie selektywnego ich uwalniania zostanie zrealizowane przy wykorzystaniu metody enkapsulacji, czyli wprowadzenia chemicznego różnych czynników w strukturę powłoki i ich selektywnego, kontrolowanego uwalniania. Tego typu komórkowo-polimerowa struktura będzie imitowała struktury naturalne. Inne zagadnienia analizowane w projekcie związane będą z kontrolowanym narastaniem komórkowym w kanalikach migracyjnych (Rys. 3) i w różnym stopniu stabilizowanych (chemicznie poprzez sieciowanie, czyli wytwarzanie mostków wodorowych lub fizycznie poprzez oddziaływanie światłem UV) cienkowarstwowych struktur porowatych.

rysunek 3

Rys. 3. Analiza komórek śródbłonka w kanalikach migracyjnych. a.) migracja komórek śródbłonka do kanalików b.) stan spoczynkowy komórek zadherowanych w kanaliku. Komórki, które widoczne są w kanaliku migracyjnym nie są wydłużone, przypominają kształt kostki brukowej. Jest to charakterystyczny kształt komórki śródbłonka w warunkach spoczynkowych.

Projekt realizowany jest w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, w Laboratorium Konfokalnej Mikroskopii Laserowej (Rys. 4).

rysunek 4

Rys. 4. Laboratorium Mikroskopii Konfokalnej


Dr inż. Roman Major

Jest adiunktem w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie. Od początku pracy zawodowej prowadzi aktywną działalność naukową. Przebywał na stypendium w Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG) Minatec-INPG LABORATOIRE DES MATERIAUX ET DU GENIE PHYSIQUE INPG GRENOBLE oraz Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbH, Leoben, Laser Center. Współpracę tą nadal rozwija. Dodatkowo współpracuje z Fundacją Rozwoju Kardiochirurgii, II kliniką Chorób Wewnętrznych UJ, Wojskową Akademią Techniczną. Uczestniczył w realizacji projektów badawczych polskich i międzynarodowych. Jest autorem wielu publikacji z dziedziny inżynierii materiałowej i bioinżynierii (biomateriały). Za swoją aktywność naukową otrzymał nagrody, wyróżnienia, stypendia naukowe. W 2008 roku został zaproszony jako invited speaker na konferencję nanocoop2008. Posiada certyfikat IPMA (International Project Management Association) poziom D.