Biomateriály a bioanalogické systémy

Výzkum Pracovníci Přístrojové vybavení Publikace

  

Výzkum

Charakteristika oddělení

V oddělení Biomateriálů a bioanalogických systémů se zkoumají nové polymerní biomateriály a syntetické makromolekulární systémy vykazující některé zajímavé vlastnosti systémů biologických. Základem je studium interakcí, ke kterým dochází na rozhraní mezi povrchem biomateriálu a živými buňkami, tkáněmi či biologickými tekutinami. Bio-aktivní povrchy vykazující specifické biologické interakce na molekulární úrovni jsou základem pro přípravu podpůrných struktur, polymerních nosičů buněk, využitelných pro regeneraci tkání a tkáňové inženýrství, pro konstrukci biosenzorů nebo systémů s řízeným uvolňováním léčiv. Mezioborovému zaměření výzkumu odpovídá i personální složení týmu, který zahrnuje jak specialisty v organické chemii, fyzikální chemii polymerů či chemickém inženýrství, tak i v biofyzice a biochemii.

Zaměření výzkumných projektů
Z hlediska studovaných materiálů se výzkum zaměřuje zejména na biodegradovatelné polymery, tj. polymery plně rozložitelné biologickými mechanismy, jejich syntézu a charakterizaci. Předmětem studia jsou proto polymery na bázi syntetických polyaminokyselin, (PAA), s hlavním řetězcem tvořenými peptidickými vazbami, nebo alifatické polyestery, zejména polymery kyseliny mléčné, tj. polylaktidy, (PLA).  Jsou vypracovány postupy syntézy amfifilních blokových kopolymerů tvořených bloky polyethylénoxidu (PEO) a PLA nebo PAA. Studium chování amfifilních kopolymerů v roztoku a pevné fázi, zejména jejich molekulární asociace, micelizace a tvorba organizovaných nadmolekulárních struktur na polymerních površích a fázových rozhraních pak poskytuje nezbytné poznatky, potřebné pro přípravu bio-respozivních systémů mimikujících některé biologické funkce.

Na bázi hydrofilních PAA jsou připravovány enzymy degradované hydrogely s makroporézní strukturou a zkoumají se možnosti jejich využití jako podpůrných materiálů pro regeneraci měkkých tkání.  

Funkční rozhraní mezi syntetickými materiály a biologickými tekutinami nebo buňkami jsou rovněž vytvářena imobilizací makromolekulárních souborů obsahujících biologicky aktivní látky na povrchy materiálů. Získané systémy jsou využívány ve dvou hlavních oblastech praktického využití: (a) Afinitní vrstvy na povrchu optických (SPR) biosenzorů určených pro lékařskou diagnostiku nebo detekci potravinovývh patogenů či polutantů životního prostředí. Tyto vrstvy jsou vytvářeny postupnou deposicí (layer-by-layer) molekulárních vrstev protilátek nebo kovalentní vazbou bioreceptorů (protilátky, antigeny) na polymerní „kartáč“ (polymer brush), tj.  vrstvu roubovaných polymerních řetězců připravenou povrchem iniciovanou radikálovou polymerací s přenosem atomu (ATRP) oligo(ethyleneglycol)metaktylátu, hydroxyethyl metaktylátu nebo karboxybetainu. Roubovaná vrstva hydrofilního polymeru brání nespecifické adsorpci proteinů z biologických tekutin, včetně krevní plasmy, a adhezi buněk („anti-fouling“).

Analogickými soubory bio-specifických molekul jsou povlékány i povrchy magnetických mikročástic a dutých polymerích nanočástic.. (b) Povrchy polymerních nosičů (scaffolds) určených po osazení buňkami k vytvoření tkáňových náhrad jsou modifikovány organizovanými soubory biologických makromolekul (heparin, kolageny, laminin, fibronektin) napodobujících mezibuněčnou hmotu nebo fibrinovými nanostrukturami rostoucími u povrchu katalytickým působením povrchově vázaného trombinu na okolní tekutinu obsahující trombin. Modifikací syntetické cévní protézy firrinovou srukturou s růstovými faktory se podařilo na vnitřní stěně protézy vypěstovat vrstvu endoteliálních buněk analogickou přirozenému cévnímu povrchu.

Postupnou depozicí a aktivací fibrinogenu a řízenou tvorbou fibrinu byly např. připraveny dvourozměrné nanostruktury tvořené fibrinovými vlákny a trojrozměrné fibrinové sítě s morfologií řízenou v nanometrových rozměrech, určené pro regenraci cévní stěny a vývoj nové generace cévních náhrad.

Tvorba bio-materiálových rozhraní, např. deposicí proteinů nebo amfifilních blokových kopolymerů na rozhrání roztok-povrch, nebo chemická modifikace povrchů roubováním polymerních řetězců a vlastnosti takto modifikovaných povrchů ve vodném prostředí jsou studovány in situ fyzikálními metodami. Vedle charakterizace povrchových vlastností statickými i dynamickými metodami měření kontaktních úhlů rozhraní materiál/voda/vzduch, jsou využívány zejména spektrální metody FTIR MIRS a SPR a  ellipsometrie.  Morfologie povrchů a vznikajících nanostruktur je studována mikroskopií atomárních sil (AFM) ve vodném prostředí.

Biologické vlastnosti  systémů obsahujících biologicky aktivní funkční struktury, např.  molekuly ovlivňující adhezi buněk k povrchu polymeru jsou testovány ve spolupráci s biologickými a lékařskými pracovišti a společně jsou vyvíjeny nové biomateriály pro buněčnou terapii a regeneraci tkání, protetických materiálů pro náhrady cév,  regeneraci chrupavky a kostí.

 

Spolupráce

Institute of Science & Technology in Medicine, Keele University, Stoke-on-Trent, UK (Prof. Alicia El Haj, Dr. Ying Yang)

Odd. růstu a differenciace buněčných populací, Fyziologický ústav AV ČR, Praha (Dr. Lucie Bačáková)

Laboratoř buněčné regenerace a plasticity, Ústav živočišné fyziologie a genetiky AVČR, Liběchov (Prof. Jan Motlík)

Ústav hematologie a krevní transfuze, Praha (Dr. Jan E. Dyr)

Odd. Molekulární embryologie, Ústav experimentální medicíny AV ČR, (Doc. Aleš Hampl)

BIOpolymerní POstdoktorandská Laboratoř a vzdělávácí centrum  - BIOPOL

Centrum polymerních materiálů a technologií Otty Wichterla - CPMTOW

Centrum biomedicinálních polymerů - CBMP

Centrum polymerních senzorů - CPS

Polymery pro energetiku - EnergoLab


Ústav makromolekulární chemie AV ČR v.v.i.

Heyrovského nám. 2
162 06 Praha 6
tel:+420 296 809 111
fax:+420 296 809 410

Strategie 21