Polymerní sítě a gely
Studium polymerních sítí a gelů, kterým se v rámci našeho oddělení zabýváme, zahrnuje:
- modelování vztahů mezi tvorbou, strukturou a termodynamickými i výslednými vlastnostmi polymerních sítí a gelů, modelování změn struktury a vlastností síťovaných polymerů v průběhu botnacích procesů
- syntézu polymerních sítí a gelů a jejich charakterizaci fyzikálně-chemickými metodami
- výzkum, vývoj, navrhování a syntézu hydrogelových systémů pro biomedicinální použití jako jsou implantáty, strukturované 2D podložky a 3D skafoldy pro kultivaci buněk, hydrogelové konstrukty pro tkáňové inženýrství a hydrogelové matrice pro uvolňování léčiv, nanovlákenné materiály jako nosiče léčiv pro lokální aplikaci
Výzkum
Modelování polymerních sítí a gelů – struktura a chování
Oddělení je zapojeno do studia teorie tvorby a růstu polymerních sítí a studia vztahů mezi strukturou sítě a jejími výslednými vlastnostmi. Provádíme jak výzkum chemických sítí (polymerní řetězce jsou navzájem propojeny kovalentními vazbami), tak i fyzikálních sítí (např. zbotnalých gelů), kde uzlové body sítě jsou tvořeny fyzikálními interakcemi (Obr. 1).
Nedávné aplikace teorie statistického větvení v kombinaci s termodynamickými zákonitostmi se týkají fázové separace v polymerních sítích, indukované pregelovou a postgelovou cyklizací a síťováním. Vyvinuli jsme semiempirický model popisující vztah mezi cyklizací a poklesem rovnovážného modulu elasticity.
Obr. 1: Schéma trojrozměrné poymerní sítě vzniklé reakcí vícefunkčních molekul
Botnání a objemový fázový přechod
|
|
|
|
Studovali jsme zbotnalé polymerní systémy se síťovanými polymerními matricemi, kde botnací chování a mechanická odezva jsou podmíněny molekulární strukturou matrice a kvalitou povrchu na rozhraní polymer – plnivo. Plněné systémy se chovají jako nucené sítě a jejich botnací a mechanické chování bylo simulováno pomocí statisticko-mechanického modelu pole průměrných hodnot zapracovaného do trojrozměrné simulace o konečném počtu prvků (FEM simulace, Obr. 2).
Obr. 2: Simulovaná distribuce objemového stupně nabotnání ve zbotnalém gelu. Barvy ukazují rozložení stupně nabotnání vypočítaného pomocí metody FEM za použití botnacího modelu založeného na Flory-Hugginsových předpokladech. Výzkum byl veden ve spolupráci s oddělením Makromolekulární fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze.
|
Constraints effects in swollen particulate composites with hyperelastic polymer matrix of finite extensibility modeled by FEM |
Ochrana povrchů pomocí tvorby polymerních filmů
Tvorba polymerních filmů spočívá v procesu síťování za souběžného vysýchání rozpouštědla a představuje komplex fyzikálně-chemických, chemicko-inženýrských a polymerních problematik. Systém musí podléhat přechodu kapalina – pevná látka zároveň s procesem gelace. Typické je, že vysýchavá síťující vrstva vykazuje gradient v normálovém směru k podkladu. Objasnění procesu tvorby polymerních filmů usnadňuje optimalizaci jejich mechanických vlastností a povrchového vzhledu.
Studovali jsme zbotnalé polymerní systémy se síťovanými polymerními matricemi, kde botnací chování a mechanická odezva jsou podmíněny molekulární strukturou matrice a kvalitou povrchu na rozhraní polymer – plnivo. Plněné systémy se chovají jako nucené sítě a jejich botnací a mechanické chování bylo simulováno pomocí statisticko-mechanického modelu pole průměrných hodnot zapracovaného do trojrozměrné simulace o konečném počtu prvků (FEM simulace, Obr. 3).
Obr. 3: Schematické znázornění tvorby ochranného polymerního filmu.
Porézní hydrogely
Vytváření makromolekulárních sítí ve zředěném stavu za přítomnosti povrchově aktivních látek může být doprovázeno fázovou separací indukovanou postupující reakcí, která vede k různorodým morfologiím výsledných materiálů (Obr. 4). Oddělení se zabývá výzkumem syntetických metod vedoucích ke vzniku gelů s morfoligií "na míru“. S tím zároveň souvisí i studium metod jejich charakterizace, například pomocí komplexu pevnostně-deformačních vlastností popisujících mechanické chování mikrostrukturovaných materiálů.
Obr. 4: Morfologie syntetických hydrogelů. Díky změnám v termodynamických parametrech během síťování spontánně vznikají různé porézní struktury. Zobrazení hydrogelů zbotnalých ve vodě bylo pořízeno pomocí enviromentální skenovací elektronové mikroskopie (ESEM).
|
|
|
|
|
|
Hydrogelové systémy pro biomedicinální použití
Hydrogely jako nosiče pro kultivaci buněk a tkáňové inženýrství
Tuhost a porozitu gelové matrice je třeba nastavit podle specifických potřeb kultivovaných buněk a naopak, složení a vlastnosti hydrogelu mohou vyvolat určité chování rostoucí buněčné kultury, například diferenciaci buněčných typů. Studujeme možnosti, jak připravit gel s uspořádanými póry komunikujícími napříč celým objemem gelu a jak zároveň jemně a přesně nastavit jejich architekturu. Naše metody zahrnují radikálovou polymerizaci monomerů jak v přítomnosti inertních částic, které jsou následně vymyty za vzniku porézní struktury, tak polymerizaci v systému rozpouštědlo/srážedlo. Chemické složení polymerizační směsi je optimalizováno tak, aby byly příznivě ovlivněny interakce mezi syntetickým materiálem a živou tkání.
V některých aplikacích by hydrogelové nosiče měly být po jistém čase fungování v živém organismu odstraněny. Jejich cílené odstranění bývá řízeno hydrolytickou nebo enzymatickou degradací vhodných molekul k tomuto účelu zabudovaných do struktury polymerních řetězců. Vývoj a syntéza těchto degradovatelných skupin jsou rovněž předmětem našeho výzkumu.
V poslední době jsme získali slibné výsledky u makroporézních skafoldů se zabudovanými funkčními skupinami nesoucími kladný náboj. Podle in vitro i in vivo testů přítomnost kladného náboje zlepšuje vrůstání nervových buněk do trojrozměrné struktury nosiče.
Abychom hydrogelové podložky pro kultivaci buněk připravili dostatečně atraktivní pro buněčný růst, respektive pro růst pouze specifických buněk, hledáme jejich nejvhodnější chemické složení nebo modifikujeme jejich povrch vhodnými látkami, aktivovanými funkčními skupinami nebo imobilizovanými bioaktivními motivy (proteiny, oligopeptidy nebo sacharidy) (Obr. 5).
Obr. 5: Hydrogelový skafold s vysetými buňkami, vizualizovaný pomocí světelné konfokální mikroskopie. Hydrogel a jádra buněk byly obarveny fluorescenčními barvivy: zeleným, respektive červeným.
|
Biomimetic modification of dual porosity poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogel scaffolds - porosity and stem cell growth evaluation |
Hydrogelové implantáty
Různé zákroky v oboru plastické chirurgie nebo stomatochirurgie vyžadují přebytek měkkých tkání, jako jsou kůže nebo dásně. V současné praxi jsou popsány různé typy tkáňových expandérů, které se používají před vlastní operací s cílem získat dostatek vhodné tkáně. Připravujeme nové hydrogelové materiály schopné dostatečně botnat (přijímat tělesné tekutiny) po implantaci. Důležitá je nejen celková změna objemu po nabotnání, ale i definovaný, a hlavně lineární nárůst objemu s cílem minimalizovat bolestivost procesu. Do hydrogelového expandéru mohou být inkorporována a následně uvolňována vhodná léčiva, jako jsou anestetika či antibiotika.
|
|
Navrhli jsme dvouvrstvý hydrogelový implantát s vnitřní hydrofilní částí sloužící jako rezervoár léčiva a vnější hydrofobní nepropustnou částí, která chrání okolní vaskularizovanou tkáň před cytotoxickým účinkem léčiva. Pomocí takovéhoto implantátu s inkorporovaným protinádorovým léčivem je možné pomocí transsklerální difúze dopravit terapeutické dávky léčiva do zadního segmentu oka (Obr. 6). Tento způsob lokální aplikace léčiva představuje inovativní přístup v možné léčbě retinoblastomu, nejčastějšího nitroočního nádoru u dětí.
Obr. 6: Znázornění dopravy léčiva do zadního segmentu oka transsklerální difúzí pomocí hydrogelového implantátu.
|
|
Nanovlákenné konstrukty jako systémy pro lokální dopravu léčiv
Nanovlákenné vrstvy mají obecně velký povrch a enormně vysoký objem pórů. Vytvářejí účinnou bariéru pro bakterie, viry a makrofágy a přitom umožňují transport malých molekul plynů a kapalin. Množství malých pórů mezi vlákny přispívá k celkové vysoké porozitě. Navíc, architektura netkaných nanovlákenných vrstev připomíná strukturu extracelulární matrix, přirozeného prostředí pro růst buněk a tvorbu tkání.
Oddělení polymerních sítí a gelů spolupracuje s firmou Nanovia s.r.o., kde jsou nanovlákna připravována pomocí elektrostatického zvlákňování – beztryskové technologie NanospiderTM. Tato technologie umožňuje i velkovýrobu nanovlákenných vrstev, která by měla, v ustáleném režimu, zaručit jejich dostatečnou reprodukovatelnost (Obr. 7 vlevo). Pracovní skupina se podílí na návrhu složení a přípravě polymerních nanovláken pro různé medicínské aplikace. Nanovlákenné konstrukty rovněž umožňují inkorporaci a řízené uvolňování biologicky a/nebo farmakologicky účinných látek. Náš výzkum zahrnuje přípravu nanovláken z hlediska jejich materiálového složení, jejich charakterizaci z hlediska morfologie a vybraných fyzikálně-chemických vlastností, navržení vhodných experimentů napodobujících procesy uvolňování aktivních látek ve fyziologickém prostředí, analytickou kvantifikaci uvolněných sloučenin a ve spolupráci s ostatními pracovními skupinami sledování biologické odezvy v in vitro a in vivo prostředí.
Připravili jsme několik nanovlákenných materiálů s inkorporovanými léčivy, jako jsou antibiotika, imunosupresiva nebo chemoterapeutika (Obr. 7). Jako lokální systémy pro dodávání léčiv představují slibný terapeutický nástroj při léčbě např. rozsáhlých bakteriálních infekcí nebo při prevenci recidivy nádoru.
Obr. 7: Vlevo – beztryskové technologie NanospiderTM, uprostřed – polylaktidová nanovlákna s homogenně dispergovaným léčivem imunosupresivem cyklosporin, vpravo – nanostrukturovaný polymerní nosič léčiva, kde prostřední poly(vinylalkohol)ová vrstva obsahující cytostatikum topotecan je vložena mezi dvě vrstvy polyuretanových nanovláken, které v závislosti na tloušťce zpomalují rychlost uvolňování hydrofilního léčiva.
|
|
|
|
|
|
Spolupráce
- Ústav experimentální medicíny Akademie věd české republiky, v.v.i. (MUDr. Aleš Hejčl, doc. Pavla Jendelová)
- Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy (prof. Zuzana Bosáková)
- 2. LF Univerzity Karlovy a Fakultní nemocnice Motol (MUDr. Karel Švojgr, MUDr. Pavel Pochop)
- České vysoké učení technické v Praze
- Synpo Pardubice, Česká republika
- Petru Poni, Institute of Macromolecular Chemistry, Academy of Sciences of Romania (Dr. Maria Valentina Dinu, prof. Ecaterina Stela Dragan).
- Wroclaw Medical University, Poland (Dr. Witold Musial)
- Department of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, University of Marburg, Germany (prof. Udo Bakowsky)
Finanční podpora
- Grantová agentura České republiky
- Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy České republiky
- Ministerstvo průmyslu a obchodu České republiky
- Bilaterální vědecká spolupráce s českými i zahraničními firmami
Další informace
Více informací o novinkách, pracovních příležitostech, možnostech PhD studia, UNESCO/IUPAC studia, chystaných konferencích naleznete na webovských stránkách Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, v. v. i.: www.imc.cas.cz