New types of fibrous organosilane materials and their potential in regenerative medicine

Ing. Johana Kulhánková

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zaměřuje na přípravu tří biomedicínsky slibných organosilanů a jejich transformace do vlákenné morfologie na základě kombinace tří různých oblastí vědy. Tento inovativní přístup zahrnuje využití modifikovaného procesu sol gel ve spojení s technikami elektrického zvlákňování pro výrobu čistě hybridních organosilanových vláken. Syntetizované organosilany jsou účinně převedeny do vlákenné morfologie bez potřeby užití toxických rozpouštědel nebo přísad, jako jsou organické polymery, porotvorné činitele nebo tenzidy. Tato práce popisuje syntézu N,N´-bis(3-(triethoxysilyl)propyl)oxamidu (OBA), N,N´ bis(3-(triethoxysilyl)propyl)tereftalamidu (BiTSAB) a N,N´ bis(3 (triethoxysilyl)-propyl)pyridin-2,6-dikarboxyamidu (BiTSAP) ve 100 mol.% ve struktuře, čímž se jedná o první vytvořená organosilanová vlákna v tak vysokém poměru. Úspěšná příprava organosilanových vláken byla dosažena pozorováním strukturálních variací pomocí Infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR) spolu s úpravami parametrů procesu sol-gel. Na základě systematického pozorování a analýz spekter FTIR byly stanoveny kritické parametry pro dosažení požadované vlákenné morfologie a byly nastaveny podmínky, které vedly k úspěšné přípravě čistě hybridních organosilanových vláken. Připravená vlákna byla charakterizována pomocí nejrůznějších charakterizačních technik a následně byla podrobena biologickému testování k posouzení jejich kompatibility, interakce a účinnosti v biologických prostředích. To zahrnovalo hodnocení adheze, proliferace, diferenciace buněk a celkové biokompatibility v přítomnosti různých buněčných linií. Vytvořené vlákenné materiály vykazují biokompatibilitu s buněčnými liniemi srovnatelnou s již známými vlákennými biomateriály připravenými z organických nebo anorganických polymerů. Navíc vykazují mimořádnou účinnost při konstrukci biomimetických skafoldů vynikající biokompatibilitou a bezproblémovou interakcí s různými typy buněk, včetně kmenových.

Abstract:

This thesis is focused on the fabrication of three biomedically promising organosilanes into fibrous morphology based on a combination of three different fields of science. The novel approach involves using a modified sol-gel process in combination with electrospinning techniques for fabricating pure hybrid organosilane fibres. Through this approach, the synthesised organosilanes are effectively transformed into fibrous morphology without the need for typically toxic solvents or additives such as organic polymers, pore-forming agents, or surfactants. This research describes the fabrication of N,N´-bis(3-(triethoxysilyl)propyl)oxamide (OBA), N,N´-bis(3-(triethoxysilyl)propyl)terephthalamide (BiTSAB), and N,N´-bis(3-(triethoxysilyl)propyl)pyridine-2,6-dicarboxyamide (BiTSAP) in 100 mol% in the structure, making them the first created organosilane fibres in such a high molar ratio. Successful preparation of the organosilane fibres was achieved through meticulous observation of structural variations using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), coupled with adjustments in the sol-gel parameters. On the base of systematic observation and analysis of FTIR spectra, parameters critical for achieving the desired fibrous morphology were determined and conditions, ultimately leading to the successful preparation of the organosilane fibres were set. Prepared fibres were characterised using multiple techniques before being employed in biological testing. Following comprehensive characterisation, the fibres were subjected to biological testing to evaluate their compatibility, interaction, and effectiveness in biological environments. Formed fibres state cell viability comparable with already known fibrous biomaterials made from organic or inorganic polymers. Moreover, they have demonstrated remarkable efficacy in constructing biomimetic scaffolds, displaying outstanding biocompatibility and seamless interaction with a range of cell types, including stem cells.

Keywords

Biomaterials, Hybrid materials, Organosilanes, Sol-gel process, Electrospinning, Fibres, Stem cells, Neuroregeneration

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 4. 2024

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Veronika Máková, Ph.D.

Technical University of Liberec

Technical University of Liberec

Doctoral programme / field:
Nanotechnology / Nanotechnology