Povrchové úpravy biomateriálů na bázi kolagenu pro medicinální aplikace

Jorge Andres LOPEZ GARCIA

Disertační práce

Surface Treatment of Collagen-based Biomaterials in Medical Applications

Abstract:

Biomaterials science is an expanding area, which encompasses a wide range of medical knowledge including i.e. arthroplasty, cochlear implants, heart valves designing, lenses, dental fixation and tissue engineering. Within this context, tissue engineering is an interdisciplinary field prompted to satisfy requirements, such as skin/nerve regeneration and organ/tissue replacement. In vitro cell culture on polymer scaffolds is one of the adopted strategies for tissue creation. It consists in a specific cell line which is seeded onto a particular substrate. This scaffold should provide excellent biocompatibility, controllable biodegradability, appropriate mechanical strength, flexibility as well as the ability to absorb body fluids for nutrients delivery. Collagen certainly fulfils these demands, thereby it is often chosen as a starting material. Moreover, this protein is abundant in the animal kingdom and plays a vital role in biological functions, such as tissue formation, cell attachment and proliferation. An important feature of any potential substrate is its cell-material interaction. This property is surface-selective and intrinsically connected to surface attributes. In this regard, plasma treatment is an effective and economical surface modification technique, which possesses the advantage of materials thin film adjustment without affecting bulk properties. In addition, plasma-based technologies are environmentally friendly. Nonetheless, a serious difficulty in tissue replacement is biofilm formation, which is responsible for infections over the treated areas. It is indeed one of the most serious concerns for several areas, particularly medical devices, healthcare products, dentistry, food packaging and storage, household sanitation and veterinary. In the medical field, nosocomial infections are the foremost worldwide cause of death and disability, which constitutes a threat to patients' lives and high costs. An efficient way to thwart this problem is by means of materials able to inhibit the growth of pathogenic microorganisms. It may be attained by incorporating antimicrobial agents with high capacity of bacterial abatement that in turn must have a low toxicity against cells that are held on the substrate. In order to raise awareness of the importance and the high economic impacts that these topics have on science and daily life, this doctoral work embodies a broad review of biomaterials, surface science and their advances in the development of materials suitable for tissue engineering applications. Furthermore, it also delves into a fundamental issue in current medicine, the control of harmful microorganisms in medical implants. The findings of this research seek to enlighten topics related to tissue substitution, plasma treatment, antimicrobial biopolymers and human cell growth. This doctoral dissertation has a schematic and concise background followed by a synopsis of the obtained results and conclusions. Finally for any further information, the full-version of the framing papers I-III is included.

Abstract:

Výzkum v oblasti biomateriálů zaujímá čím dál větší důležitost s ohledem na jeho aplikace v medicíně jako např. u kloubních náhrad, kochleárních implantátů, srdeční chlopně, čočky, zubní fixaci a tkáňovém inženýrství. V této souvislosti je tkáňové inženýrství interdisciplinární oblastí a výzvou k uspokojení požadavků, jako např. při léčbě kožních poranění, regeneraci nervových tkání nebo transplantaci orgánů. Příprava buněčných systémů na polymerních scafoldech je jednou z nejpoužívanějších technik ve tkáňovém inženýrství, přesto že existuje několik postupů k dosažení obdobných cílů. Tato technika je založena na interakci substrátu se specifickou skupinou lidských buněk. Tento scafold by měl přirozeně vykazovat vynikající biokompatibilitu, řízenou biodegradabilitu a taktéž by měl být schopen absorbovat tělní tekutiny potřebné pro transport živin. Měl by také vykazovat příslušné mechanické vlastnosti jako odolnost a ohebnost. Z těchto důvodů je jako počáteční materiál obvykle zvolen kolagen vzhledem k jeho poměrně vysokému zastoupení u živočichů, kde tvoří přibližně čtvrtinu množství bílkovin a hraje důležitou roli v mnoha biologických funkcích jako tvorba buněk, buněčná adheze a proliferace. Důležitou vlastností každého potenciálního substrátu je jeho interakce s buňkami a tato schopnost je selektivní na povrchu. Úprava plazmatem je v tomto ohledu poměrně účinná a levná metoda, která spočívá v úpravě tenké povrchové vrstvy aniž by došlo ke změně celkových vlastností. Nadto, techniky založené na úpravě v plazmatu jsou ekologicky šetrné. Nicméně, vážným problémem při náhradě tkání je tvorba biofilmu způsobujícího infekci ošetřených oblastí. Tento problém se týká mnoha oblastí lékařství, zejména potom lékařských přístrojů, výrobků určených ke zdravotní péči, stomatologie, oblasti balení potravin a jejich skladování, hygienických pomůcek užívaných v domácnostech a veterinárního lékařství. V oblasti zdravotnictví jsou především nosokomiální infekce příčinou úmrtí nebo invalidity pacientů po celém světě. Infekce je tedy hrozba pro život a také navršuje náklady za léčbu. Účinným způsobem, jak vyřešit tento problém, je vyrobit materiály, které mohou být schopné inhibovat růst patogenních bakterií. To může být dosaženo včleněním antimikrobiální látky do materiálu, která musí mít vysokou schopnost zabíjet bakterie, ale zároveň vykazovat celkově nízkou toxicitu vůči buňkám v organizmu. S ohledem na důležitost a výrazný ekonomický vliv, který tato témata jak ve výzkumném tak každodenním životě představují, zahrnuje tato doktorská práce širokou rešerši o biomateriálech, povrchových analýzách, modifikacích a jejich pokroku v aplikacích tkáňového inženýrství. Mimoto je také podrobně rozebrána základní problematika současné medicíny v oblasti škodlivosti mikroorganismů potenciálně přítomných na implantátech. Výsledky tohoto výzkumu se snaží odkrýt poučné poznatky související s tkáňovými náhradami, úpravou plazmatem, antimikrobiálními biopolymery a růstem lidský tkáňových buněk. Tato disertační práce poskytuje schematický a stručný teoretický přehled doprovázený výsledky získanými z experimentální činnosti a závěrem, který veškeré poznatky sumarizuje. Nakonec, pro jakékoliv další informace jsou přiloženy plné verze publikovaných článků I-III.

Keywords

Tkáňové inženýrství, kolagen, úprava plazmatem, antimikrobiální materiál, růst buněk

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 9. 1. 2012

Zveřejnit od: 9. 1. 2012

Obhajoba závěrečné práce

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Fakulta technologická

Doktorský studijní program / obor:
Chemie a technologie materiálů / Technology of Macromolecular Substances