Chemie a fyzika povrchů a bio-materiálových rozhraní

Oddělení se zaměřuje na vývoj přípravy syntetických bioresponzivních polymerních povrchů s definovanými fyzikálně chemickými vlastnostmi a s bioaktivními koncovými skupinami. Dosaženými pokroky v polymerní chemii, povrchovém inženýrství a biofunkcionalizaci se daří překonávat současné polymerní povrchy používané jako biomateriály, podpůrné struktury a senzory. Výzkumný tým je složen z vědců a studentů s multidisciplinárním zázemím zahrnující organickou, polymerní, fyzikální a analytickou chemii, chemické inženýrství, biofyziku, biochemii a biotechnologii. Interdisciplinární projekty jsou formulovány tak, aby plně řešily chemii a fyziku různých povrchů a biorozhraní a také aby vysvětlovaly a řídily složité interakce mezi povrch/prostředí a povrchové jevy.

Odborná témata

Makromolekulární/polymerní chemie a biofunkcionalizace

Využíváme nové typy řízených polymerací a post-polymeračních reakcí umožňujících ortogonální konjugaci k syntéze nových biomedicínsky relevantních polymerních povrchů s jemně vyladěnou architekturou a funkčností. Náš výzkum se zaměřuje především na:

• řízené polymerace monomerů relevantní pro tkáňové inženýrství, biosenzory a biomedicínské aplikace;
• optimalizace ortogonálních reakcí za účelem syntézy různých architektur a vzorů polymerních povrchů;
• biofunkcionalizace syntetizovaných platforem různými biologickými rozpoznávacími a bioaktivními molekulami (včetně peptidů odvozených od ECM, hormonů a kadherinů);
• samouspořádané procesy v bioinspirovaných a biomimetických polymerních systémech.

 

Fotoindukovaná radikálová polymerace
s jedním elektronem pro vytvoření
přesně definovaných mikrovzorů polymerních
kartáčů odolávajících zanášení.

 

 

 

Aplikované fyzikálně-chemické aspekty

Výzkum se zaměřuje na fyzikálně-chemické aspekty povrchů a rozhraní, na kovalentní a konformační stav polymerních řetězců na povrchu a na jejich povrchovou koncentraci, distribuci a dostupnost různých skupin (neutrálních, reaktivních a bioaktivních). Pro tyto účely používáme povrchově velmi citlivé metody, jako je spektroskopická elipsometrie, křemenné mikrováhy s analýzou disipace energie, režimy odrazu FTIR (jako jsou ATR, RAS a GAATR), FT-Ramanova a rentgenová fotoelektronová spektroskopie, měření kontaktního úhlu, mikroskopie atomárních sil (AFM). K charakterizaci kartáčů v nanoměřítku využíváme nano-FTIR a Ramanovy spektroskopie zaostřené na AFM hrot. Vizualizace, mapování a zkoumání síly mezi bioaktivními povrchově imobilizovanými molekulami a jejich protějšky dokážeme změřit pomocí metody „single-molecule force“ AFM.

     

Konformace a průměrná orientace řetězců představující
vrstvu tenkého polymerního kartáče o tloušťce několika
nanometrů jsou extrahovány z naměřeného infračerveného
spektra pomocí teoretického modelování, potvrzující
spontánní tvorbu krystalické a amorfní fáze.

 

 

Interakce s biologickým prostředím

Funkční rozhraní pro biosensory se připravují prostřednictvím řízené kovalentní imobilizace biologicky aktivních molekul (např. specifické protilátky, oligonukleotidy a molekuly bioreceptorů) na povrchy polymerních kartáčů odolávající zanášení v komplexním biologickém prostředí. Provedené biosenzory byly úspěšně použity pro analýzu biomolekulárních interakcí a diagnostiku v klinických vzorcích.

 

 Polymerní kartáče zabraňující škodlivým
biologickým procesům, jako je adheze
krevních destiček a jejich aktivace,
které vedou k trombóze.

 

 

 

Makroporézních PLCL kapsle pre-vaskularizované
v předstěně břišní dutiny pro následnou transplantaci
ostrůvků. Povrch porézní stěny kapsle jsou potažené
LbL vrstvou uvolňující růstové faktory FGF-2 a VEGF,
které podporují revaskularizaci kapsle. β-buňky
(hnědé) transplantovaných ostrůvků jsou schopné
produkce inzulínu i po 50 dnech po transplantaci.

 

Reprezentativní výsledky – Publikace

1. de los Santos Pereira, A.; Cesnescu, A.; Svoboda, J.; Sivkova, R.; Romanenko, I.; Bashta, B.; Keilmann, F.; Pop-Georgievski, O., Conformation in Ultrathin Polymer Brush Coatings Resolved by Infrared Nanoscopy. Analytical Chemistry 2020, 92 (7), 4716—4720.
2. Kasoju, N.; Pátíková, A.; Wawrzynska, E.; Vojtíšková, A.; Sedlačík, T.; Kumorek, M.; Pop-Georgievski, O.; Sticová, E.; Kříž, J.; Kubies D., Bioengineering a pre-vascularized pouch for subsequent islet transplantation using VEGF-loaded polylactide capsules. Biomaterials Science 2020, 8 (2), 631—647.
3. Vorobii, M.; de los Santos Pereira, A.; Pop-Georgievski, O.; Kostina, N. Y.; Rodriguez-Emmenegger, C.; Percec, V., Synthesis of non-fouling poly[N-(2-hydroxypropyl)-methacrylamide] brushes by photoinduced SET-LRP. Polymer Chemistry 2015, 6 (23), 4210—4220.
4. de los Santos Pereira, A.; Sheikh, S.; Blaszykowski, C.; Pop-Georgievski, O.; Fedorov, K.; Thompson, M.; Rodriguez-Emmenegger, C., Antifouling Polymer Brushes Displaying Antithrombogenic Surface Properties. Biomacromolecules 2016, 17 (3), 1179—1185.
5. Riedel, T.; Surman, F.; Hageneder, S.; Pop-Georgievski, O.; Noehammer, C.; Hofner, M.; Brynda, E.; Rodriguez-Emmenegger, C.; Dostalek, J., Hepatitis B plasmonic biosensor for the analysis of clinical serum samples. Biosensors and Bioelectronics 2016, 85, 272—279.
6. Riedel, T.; Hageneder, S.; Surman, F.; Pop-Georgievski, O.; Noehammer, C.; Hofner, M.; Brynda, E.; Rodriguez-Emmenegger, C.; Dostalek, J., Plasmonic Hepatitis B Biosensor for the Analysis of Clinical Saliva. Analytical Chemistry 2017, 89 (5), 2972—2977.
7. Svoboda, J.; Sedlacek, O.; Riedel, T.; Hruby, M.; Pop-Georgievski, O., Poly(2-oxazoline)s One-Pot Polymerization and Surface Coating: From Synthesis to Antifouling Properties Out-Performing Poly(ethylene oxide). Biomacromolecules 2019, 20 (9), 3453—3463.

Spolupráce

• Christopher Barner-Kowollik, Queensland University of Technology (Brisbane, Australia) and Karlsruhe Institute of Technology (Karlsruhe, Germany)
• Virgil Percec, University of Pennsylvania, Philadelphia, USA
• Cesar Rodriguez-Emmenegger, Leibniz Institute for Interactive Materials, Aachen, Germany
• Carsten Werner, Leibnitz Institute for Polymer Research, Dresden, Germany
• Michael Thompson, University of Toronto, Toronto, Canada
• Jakub Dostalek, Austrian Institute of Technology GmbH, Vienna, Austria
• Fritz Keilmann, Faculty of Physics, Ludwig-Maximilians-University, Munich, Germany
• Jiří Homola, Institute of Photonics and Electronics, Czech Academy of Sciences, Prague, Czech Republic
• Jakub Holovský, Centre for Advanced Photovoltaics, Faculty of Electrical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czech Republic
• Lucie Bačáková, Institute of Physiology, Czech Academy of Sciences, Prague, Czech Republic

Financování

• Unraveling the physicochemical phenomena leading to antifouling bioactive surfaces (C. Rodriguez-Emmenegger/O. Pop-Georgievski, Czech Science Foundation (CSF), 15-09368)
• Self-endothelialization of novel bioactive surfaces of decellularized vascular grafts (T. Riedel, CSF, GA18-01163S)
• Advanced plasmonic biosensors: towards the next-generation biomolecular interaction analysis (T. Riedel, CSF, GA19-02739S)
• Blood plasma individual variability and pathophysiology and their influence on the interactions with synthetic antifouling surfaces (T. Riedel, CSF, GA20-10845S)
• Study of the initial self-assembly processes during the formation of biomimetic anchor layers (J. Svoboda, CSF, GA20-08679S)
• Understanding the "whispers" at interfaces of bioactive polymer brushes (O. Pop-Georgievski, CSF, GA20-07313S)