Badania nad włóknami polimerowymi do zastosowań w inżynierii tkankowej

Jedną z najbardziej popularnych, szeroko stosowanych metod produkcji włókien polimerowych jest elektroprzędzenie. Metoda ta pozwala na wytwarzanie włókien z szerokiej gamy polimerów. W procesie elektroprzędzenia wysokie napięcie podłączone jest do dyszy z roztworem polimerowym. W wyniku wytworzenia wysokiego pola elektrostatycznego strumień polimeru jest rozciągany, podczas gdy odparowuje rozpuszczalnik. Formowane włókna osadzane są na powierzchni uziemionego kolektora znajdującego się po przeciwnej stronie dyszy. Odpowiedni dobór parametrów elektroprzędzenia pozwala na wytwarzanie włókien, membran, a także rusztowań wykorzystywanych w inżynierii tkankowej o określonych własnościach powierzchniowych. Elektroprzędzone rusztowania odzwierciedlają naturalną macierz pozakomórkową, cechują się wysoką porowatością sięgającą nawet 95%. Wysoka porowatość struktur daje komórkom możliwość migracji i namnażania wewnątrz rusztowania, odbudowując w ten sposób uszkodzoną tkankę. Dodatkowo zmiana biegunowości napięcia podczas elektroprzędzenia decyduje o orientacji molekuł łańcuchów polimerowych przy powierzchni włókien, zmieniając skład chemiczny powierzchni, a co za tym idzie jej potencjał.

W projekcie został przebadany wpływ własności powierzchniowych włókien, tj. ładunków powierzchniowych, chropowatości i porowatości, na zachowania komórek oraz procesy regeneracyjne kości. Zostały zbadane własności powierzchniowe elektroprzędzonych włókien z polikaprolaktonu (PCL) i polifluorku winylidenu (PVDF) do zastosowań biomedycznych. Istotna jest poprawa właściwości powierzchniowych elektroprzędzonych włókien bez konieczności ich modyfikacji. Można to zrobić poprzez zmianę biegunowości napięcia przyłożonego do dyszy w czasie elektroprzędzenia polimerowych włókien w celu kontrolowania ich składu chemicznego powierzchni.

Pomiary potencjału powierzchni włókien polimerowych zostały wykonane przy użyciu mikroskopii sił atomowych z sondą Kelvina (KPFM), a analizę składu chemicznego wykonano przy pomocy rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS).

Urszula Stachewicz i Ewa Sroczyk pokazują przykład elektroprzędzonych włókien w formie maty. Fot. Daniel Ura Uzyskane wyniki wykazały korelację pomiędzy zastosowaną biegunowością napięcia w procesie elektroprzędzenia a składem chemicznym włókien, spowodowaną ukierunkowaniem grup funkcyjnych łańcucha polimerowego i wzrostem stężenia grup tlenowych na powierzchni włókien z PCL lub wzrostem stężenia grup fluorowych na powierzchni włókien z PVDF. Podwyższenie potencjału powierzchni włókien na bazie PCL i PVDF spowodowało szybsze namnażanie komórek, zwiększoną adhezję komórek do włókien i produkcję kolagenu oraz szybszy proces mineralizacji konieczny w procesach regeneracji tkanki kostnej. W projekcie wykorzystano zaawansowaną mikroskopię do charakteryzacji włókien i rekonstrukcje 3D połączeń komórek z rusztowaniami. Wyniki badań na rusztowaniach z PVDF zostały opublikowane w „ACS Biomaterials Science and Engineering” (DOI: 10.1021/acsbiomaterials.8b01108). Nasze zdjęcie mikroskopowe komórki na włóknie zostało wybrane na tytułową okładkę czasopisma. Natomiast zdjęcie mikroskopowe komórki na włóknach z PCL zostało wybrane na wewnętrzą okładkę w „Advanced Materials Interfaces” (DOI:10.1002/admi.201801211), gdzie zostały opublikowane wyniki badań.

SONATA 8 to pierwszy projekt, jaki udało mi się napisać i na który otrzymałam finansowanie od NCN zaraz po powrocie do Polski w 2014 r. i podjęciu pracy jako adiunkt na AGH. Jest to dla mnie niezwykle ważny projekt – pozwolił mi kupić pierwszą elektroprzędzarkę z kontrolą klimatu na AGH i rozpocząć nową tematykę badań na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej. Dzięki temu projektowi pojawiły się nowe pomysły na badania i stworzenie grupy zajmującej się włóknami polimerowymi, nie tylko do zastosowań w inżynierii tkankowej, lecz także do pozyskiwania wody i energii. Zdobyte doświadczanie i nawiązane w czasie tego projektu kontakty umożliwiły mi aplikowanie o kolejne fundusze w NCN, FNP, a także rozwinięcie pomysłu na grant ERC, który ewaluował w czasie mojej pracy na AGH. Grant ERC BioCom4SavEn otrzymałam w 2020 r.