Příprava a charakteristika nanovlákenných scaffoldů založených na PVA a jejich funkcionalizace růstovými faktory

Bc. Maxim Lisnenko

Master's thesis

Preparation and characterization of nanofibrous scaffolds based on PVA and their functionalization by growth factors

Abstract:

Zvýšení biologické aktivity nanovlákenných materiálů strukturně připomínajících extracelulární hmotu určuje v současné době potenciální směr vývoje tkáňového inženýrství. Z hlediska podpory hojení a regenerace tkání je slibné použití plasmy bohaté na trombocyty, která obsahuje stovky biologicky aktivních látek schopných podporovat buněčnou adhezi a proliferaci. Předkládaná diplomová práce se zabývá přípravou nanovlákenných materiálů založených na PVA s obsahem nativních trombocytárních růstových faktorů, které jsou časem postupně uvolňovány. V teoretické části je stručně popsána výroba nanovlákenných scaffoldů pomocí střídavého (AC) a stejnosměrného (DC) elektrického zvlákňování, dále jsou krátce charakterizovány trombocytární růstové faktory a existující způsoby funkcionalizace scaffoldů. V experimentální části byl optimalizován postup přípravy materiálů zejména pomocí AC electrospinningu ve velkém měřítku, který neovlivňuje aktivitu inkorporovaných proteinů ve výsledné nanovlákenné vrstvě. Úzká distribuce průměrů vláken (260 ? 85,74 nm) a malý výskyt defektů zajišťují homogenní inkorporaci proteinů. Díky použití PVA s vysokou molekulovou hmotností (125 000 g / mol) a s vysokým stupněm hydrolýzy (98 - 98,8 %) bylo dosaženo snížení rozpustnosti scaffoldů bez nutnosti dodatečného kovalentního síťování. Snížení rozpustnosti PVA způsobuje pozvolné uvolňování proteinů, kdy po počátečním rychlém uvolnění 90 % proteinů, je zbývajících 10 % postupně uvolňováno v průběhu dalších sedmi dnů. Cílem práce bylo také vzájemné porovnání technologií AC a DC electrospinningu z hlediska procesu výroby a morfologie nanovláken, uvolňování proteinů, rozpouštění PVA a krystalinity. Přestože samotné uvolňování proteinů má podobný průběh, v celé řadě dalších sledovaných parametrů se materiály výrazně liší. Kromě toho byla studována možnost dalšího zpomalení uvolňování proteinů a stabilizace PVA materiálů metodou "freeze-thaw". Na základě dosažených výsledků je možné předpokládat potenciální použití materiálů funkcionalizovaných nativními proteiny např. v hojení velkých a chronických kožních poranění.

Abstract:

The increase in biological activity of nanofibrous materials structurally mimics natural extracellular matrix, it currently determines the potential direction of development of tissue engineering. In terms of promoting tissue healing and regeneration, the use of platelet rich plasma, which contains hundreds of biologically active compounds capable of promoting cell adhesion and proliferation, is promising. The presented master thesis deals with the preparation of nanofibrous materials based on PVA containing native platelet-derived growth factors, which are gradually released. The theoretical part briefly describes the production of nanofiber scaffolds using alternating (AC) and direct (DC) current electrospinning, then shortly characterizes platelet-derived growth factors and existing methods of functionalization of scaffolds. In the experimental part, the large scale preparation of materials by AC electrospinning was optimized. The process does not affect the activity of incorporated proteins in the resulting nanofiber layer. The narrow distribution of fiber diameters (260 ? 85.74 nm) and the low incidence of defects ensure homogeneous protein incorporation. Thanks to the use of PVA with high molecular weight (125,000 g / mol) and with a high degree of hydrolysis (98-98.8 %), a reduction in the solubility of scaffolds was achieved without the need for additional covalent crosslinking. The reduction in the solubility of PVA causes a slow release of proteins, where after an initial rapid release of 90 % of the proteins, the remaining 10 % is gradually released over the next seven days. The aim of the work was also a mutual comparison of AC and DC electrospinning technologies in terms of the production process and morphology of nanofibers, protein release, PVA dissolution and crystallinity. Although the release of proteins itself is a similar process, the materials differ significantly in a number of other monitored parameters. In addition, the possibility of further slowing the release of proteins and stabilizing PVA materials by the "freeze-thaw" method was studied. Based on the attained results, it is possible to assume the potential use of materials functionalized with native proteins, e.g. in the healing of large and chronic skin wounds.

Keywords

nanovlákna, PVA, trombocyty, růstové faktory, cílené dodávání léčiv

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 5. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Věra Jenčová, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Master programme / field:
Textile Engineering / Nonwoven and Nanomaterials