Polymerní sítě a gely

Výzkum Pracovníci Přístrojové vybavení Publikace

 

Zaměření oddělení

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

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.

 

Povrchová úprava, respektive 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. 2).

 

 

Obr. 1 Schéma trojrozměrné polymerní sítě vzniklé reakcí vícefunkčních molekul

 

 

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. Ten výzkum byl veden ve spolupráci s oddělením Makromolekulární fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze.

 

Publikace:

Dušek, K.,Dušková, M.,Šomvársky, J. Effect of constraints on swelling of polymer networks, Macromolecular Symposia 2015, 358(1), 120-127

Dušek K., Dušková-smrčková M., Huybrechts J., Ďuračková A. Polymer networks from preformed precursors having molecular weight and group reactivity distributions. Theory and application, Macromolecules. Roč. 46, č. 7 (2013),
s. 2767-2784

Dušek K., Dušková-smrčková M. Modeling of polymer network formation from preformed precursors, Macromolecular Reaction Engineering 2012, 6(11), 426-445

 

Dušek K., Choukourov A., Dušková-smrčková M., Biederman H. Constrained swelling of polymer networks: characterization of vapor-deposited cross-linked polymer thin films, Macromolecules. Roč. 47, č. 13 (2014), s. 4417-4427

 

Spontání mikrostrukturování hydrogelů

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. 3). Oddělení se zabývá výzkumem metod vedoucích k možnostem připravit na mikroskopické úrovni morfologii gelů „na míru“. S tím zároveň souvisí i studium metod jejich charakterizace, například pomocí komplexu pevnostně-deformačních vlastností popisujících mechanické chování mikrostrukturovaných materiálů.

Obr. 3 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).

Publikace:

Dinu M.V., Pradny M., Dragan E.S., Michalek J. Ice-templated hydrogels based on chitosan with tailored porous morphology
Carbohydrate Polymers 2013, 94(1), 170-178

Karpushkin e A., Dušková-smrčková M., Šlouf M., Dušek K. Rheology and porosity control of poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogels, Polymer. Roč. 54, č. 2 (2013), s. 661-672

Hydrogelové systémy pro biomedicinální použití

Hydrogely jako podložky pro kultivace buněk, respektive pro 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. 4).

Obr. 4 Hydrogelový skafold s vysetými buňkami, vizualizovaný pomocí světelné konfokální mikroskopie. Hydrogel a jádra buněk byly obarveny fluorescenčními barvivy: zeleným, respektive červeným.

Publikace:

Pradny M., Duskova-Smrckova M., Dusek K., Janouskova O., Sadakbayeva Z., Slouf M., Michalek J. Macroporous 2-hydroxyethyl methacrylate hydrogels of dual porosity for cell cultivation: morphology, swelling, permeability, and mechanical behavior, Journal of Polymer Research 2014, 579_1-579_12

Hejčl A., Růžička J., Kapcalová M., Turnovcová K., Krumbholcová E., Přádný M., Michálek J., Cihlář J., Jendelová P., Syková E.
Adjusting the chemical and physical properties of hydrogels leads to improved stem cell survival and tissue ingrowth in spinal cord injury reconstruction: a comparative study of four methacrylate hydrogels, Stem Cells and Development 2013, 22, 2794-2805

Vetrik M., Přádný M., Hrubý M., Michálek J. Hydrazone-based hydrogel hydrolytically degradable in acidic environment, Polymer Degradation and Stability, Roč. 96 (2011), s 756-759

Nanovlákenné hydrogelové konstrukty pro lékařské aplikace

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 úzce spolupracuje s Technickou Univerzitou v Liberci a 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.

Pracovní skupina úzce spolupracuje při navrhování složení a přípravě polymerních nanovláken pro různé medicínské aplikace. Nanovlákenné konstrukty rovněž umožňují inkorporaci a řízené uvolňování biologicky a/nebo farmakologicky účinných látek, jako jsou antibiotika, imunosupresiva nebo kancerostatika. Výzkum zahrnuje přípravu nanovláken z hlediska jejich materiálového složení, dále 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 i biologické experimenty (Obr. 5,6).

 

Obr. 5 Nanostrukturovaný polymerní nosič léčiva. Prostřední vrstva z jemných nanovláken poly(vinylalkoholu) obsahuje antibiotikum gentamicin a je vložena mezi dvě vrstvy polyuretanových nanovláken. Takové uspořádání vlákenných struktur zajišťuje jednak mechanickou odolnost, jednak umožňuje řídit rychlost uvolňování gentamicinu. (Snímek pořízený pomocí SEM.)

 

Obr. 6 Syntetický hydrogel s interpenetrovanými přírodními nanovlákny bakteriální celulózy.  Nanovlákna inkorporovaná do gelové matrice zlepšují mechanické vlastnosti (pevnost) hydrogelového konstruktu. Díky tomu by mohl být tento materiál slibný pro náhrady chrupavek, jako je kolenní meniskus. (Snímek pořízený pomocí SEM.)

Publikace:

Hobzová R., Hrib J., Širc J., Karpushkin E., Michálek J., Janoušková O., Gatenholm P. Embedding of bacterial cellulose nanofibers within PHEMA hydrogel matrices: tunable stiffness composites with potential for biomedical applications, Journal of Nanomaterials. Roč. 2018, January (2018), č. 5217095_1-5217095_11

Širc J., Hampejsová Z., Trnovská J., Kozlík P. , Hrib J., Hobzová R., Zajícová A., Holáň V., Bosáková Z. Cyclosporine A loaded electrospun poly(D,L-lactic acid)/poly(ethylene glycol) nanofibers: drug carriers utilizable in local immunosuppression, Pharmaceutical Research. Roč. 34, č. 7 (2017), s. 1391-1401

Širc J., Kubinová Š., Hobzová R., Stránská D., Kozlík P., Bosáková Z., Mareková D., Holáň V., Syková E., Michálek J. Controlled gentamicin release from multi-layered electrospun nanofibrous structures of various thicknesses, International Journal of Nanomedicine. Roč. 7 (2012), s. 5315-5325

Hydrogely konající práci – zbotnalé struktury pro zdravý život

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.

Publikace:

Hrib J., Širc J., Lesny P., Hobzova R., Dušková-Smrčková M., Michálek J., Šmucler R. Hydrogel tissue expanders for stomatology. Part I. methacrylate-based polymers, Journal of Materials Science-Materials in Medicine. Roč. 28, č. 1 (2017), s. 12_1-12_8

Širc J., Hrib J., Vetrík M., Hobzová R., Žák A., Staňková B., Slanař O., Hromádka R., Sandriková, V., Michálek J. The use of a hydrogel matrix for controlled delivery of niacin to the gastrointestinal tract for treatment of hyperlipidemia, Physiological Research 2015, 64(Suppl. 1) S51-S60

Spolupráce

Ústav experimentální medicíny Akademie věd české republiky, v.v.i. (MUDr. Aleš Hejčl, Doc. Pavla Jendelová)

Přírodovědecká fakulta University Karlovy (Prof. Zuzana Bosáková)

České vysoké učení technické v Praze

Synpo Pardubice, Česká republika

Nanovia Ltd., Litvinov, 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)

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

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