Biomineralizovaný a na podnět reagující hydrogel pro biomedicínské aplikace

Abstract

V posledních deseti letech se tkáňové inženýrství a regenerativní medicína velmi aktivně věnuje scaffoldům, které mají 3dimensionální strukturu pro lepší podporu obnovy tkáně. Scaffoldové struktury navíc mohou být připraveny podle potřeby regenerace jak pro tuhé, tak pro měkké tkáně. Tuhé tkáně v podstatě představují kostní kompozity, které mají organickou matrici vyztuženou anorganickými minerály ve formě hybridní struktury. Relativně novým konceptem ve vývoji scaffoldů pro tyto tuhé tkáně je tvorba tzv. biomimikrů, které se formují v matrici biomineralizací. Matrici v těchto případech většinou představuje biomateriál, ve kterém vyrůstá krystalická struktura minerálů. Z množství dostupných biomateriálů jsou upřednostňovány hydrogely, a to zejména pro schopnost absorbovat velké množství kapalin a vytvářet příznivé prostředí pro regeneraci živé tkáně. Předkládaná doktorská práce se zaměřuje na výzkum možností biomimetické přípravy scaffoldů mineralizačním procesem v hydrogelové matrici. Za optimální matrici byla zvolena směs PVP-CMC hydrogelů, do které byly difusním procesem vpraveny vodní roztoky Na2CO3 a CaCl2. Byla navržena a připravena řada mineralizovaných vzorků s rozdílnou koncentrací pro hodnocení biomimetického procesu, tvorby krystalické minerální struktury a vlastností vzniklého scaffoldu. Nově vzniklé struktury scaffoldů byly označeny jako "Biomineralizovaný (CaCO3) PVP-CMC hydrogel". Identifikace přítomnosti skupiny -CO3 ve struktuře hydrogelu a tím potvrzení úspěšnosti procesu biomineralizace byla provedena metodou FTIR, která zjistila přítomnost peaků 1405cm-1 a 871cm-1. Metodou XRD pak byla identifikována přítomnost kalcitu v porézní struktuře PVP-CMC hydrogelu. Morfologické hodnocení biomineralizované struktury bylo provedeno pomocí SEM, které ukázalo, že se distribuce mikropórů ve struktuře hydrogelu pohybuje v rozmezí od 1 do 170 mikrometrů. Zaplněnost pórů kalcitem pak byla stanovena měřením hustoty vzorků v relaci k neplněnému systému. Informace o skladbě scaffoldového systému byly doplněny pomocí měření na TGA. Viskoelastické vlastnosti připravených systémů byly měřeny standardním postupem na rotačním reometru Ares. U vzorků byla posuzována komplexní viskozita a soufázový a ztrátový modul. S intenzivnějším biomineralizačním procesem se podle očekávání snižovaly parametry stanovující elastický podíl mineralizovaného scaffoldu, a zvyšovaly hodnoty určující viskozní vlastnosti. Mineralizované scaffoldy navíc vykazovaly obtížnější deformovatelnost při zatížení v relaci k neplněným hydrogelům, což může mít v praxi vliv na způsob aplikace tuhých biomineralizovaných scaffoldů. Dále byly studovány podmínky, které mohou ovlivňovat regenerační účinnost mineralizovaných scaffoldů. Scaffoldy byly posuzovány podle nasákavosti roztoků simulujících biologické tekutiny, které obsahovaly např. glukózu, močovinu či fyziologický roztok. Experimenty byly prováděny za fyziologicky relevantních podmínek. Hodnocení bylo prováděno podle poměrného narůstání objemu scaffoldu a bylo zjištěno, že nejvyšší schopnost nasávat má močovinový roztok, následovaný roztokem fyziologickým. Roztok obsahující glukózu pak prokázal nejnižší stupeň nasákavosti. Konečně pak byly provedeny počáteční experimenty hodnotící cytotoxicitu. Byly použity fibroblasty myších embryonálních tkání umístěné do biomineralizovaného scaffoldu po dobu 24, 48 a 72 hodin a buňky MG 63 Osteosarcoma po dobu 1 až 7 dnů. Životnost obou druhů buněk dosahovala více než 80% což prokazuje, že nový typ biomineralizovaného scaffoldu (PVP-CMC-CaCO3) má netoxický character.