Alginian sodu jako biomateriał stosowany w leczeniu zwężenia cewki moczowej
2. Materiały i metody
W przedstawionej pracy analizowano materiał hydrożelowy na bazie alginianu sodu pod względem jego czasu degradacji, parametrów wytrzymałościowych oraz analizy pęcznienia za pomocą systemu cyfrowej korelacji obrazu µDIC. Zastosowanie różnego
Alginian sodu jako biomateriał stosowany w leczeniu zwężenia cewki moczowej
stężenia alginianu sodu, różnego rodzaju i stężenia substancji sieciującej miało na celu wytypowanie materiału o najlepszych charakterystykach materiałowych, spełniających podstawowe kryteria stawione stentom urologicznym.
2.1. Materiały
W pracy skupiono się na wytworzeniu i ocenie biodegradowalnego stentu na bazie alginianu sodu. Alginian sodu pozyskuje się z brunatnic alg morskich. Materiał jest układem anionowym, silnie hydrofilowym, tworzącym strukturę polimerową o złożo-nych właściwościach wytrzymałościowych i sprężystych. Alginian sodu tworzą reszty kwasu α-L-guluronowego (bloki G) i reszt kwasu β-L-mannuronowego (bloki M), połączone wiązaniami glikozydowymi. Bloki G i bloki M w strukturze materiału układają się w trzech typach: bloki G-G, bloki M-M lub naprzemienne bloki G-M.
Alginian sodu najczęściej sieciuje się dwuwartościowymi kationami Ca2+ [14-18].
W prezentowanych badaniach alginian sodu sieciowano za pomocą kationów Ca2+, Ba2+ oraz kombinacji Ca2+/Ba2+.
Do wytworzenia materiału użyto: alginian sodu (Sigma-Aldrich), chlorek wapnia (Sigma-Aldrich) oraz chlorek baru (Chempur). Degradację materiału prowadzono w roztworze sztucznego moczu, który przygotowano na podstawie Chutipongtante, 2010 [19]. 1 litr roztwór sztucznego moczu składał się z 124,9 g mocznika (Sigma-Aldrich), 10 g kreatyniny (Sigma-Aldrich), 45 g chlorku sodu (Sigma-Aldrich), 12,85 g chlorku amonu (Chempur), 15 g siarczanu sodu (Avantor Performance Materials Poland S.A.) oraz 13,7 g dwuwodorofosforan sodu (Avantor Performance Materials Poland S.A.).
2.2. Przygotowanie materiału
Użyte w badaniach stężenia alginianu sodu dobrano w oparciu o typowe stężenia stosowane podczas wytwarzania tej struktury oraz uwzględniając własne obserwacje materiałów hydrożelowych. Zastosowanie kilku różnych stężeń alginianu sodu, pozwala na sprawdzenie dla każdego indywidualnie właściwości materiałowych.
Procedura przygotowania materiału, polegała na całkowitym rozmieszaniu alginianu sodu o różnym stężeniu 30, 40 i 50 mg/ml w wodzie dejonizowanej do momentu uzyskania jednorodnej struktury. Następnie alginian umieszczano na kilka minut w płuczce ultradźwiękowej w celu usunięcia pęcherzyków powietrza. Substancją sieciującą był chlorek baru i chlorek wapnia o stężeniach odpowiednio: 0,5, 1,0 i 1,5 mola. W uwagi na silna korelację pomiędzy właściwościami materiału, a sposobem jego przygotowania, zbadano wpływ stężenia alginianu sodu i substancji sieciującej (tab. 1). W ramach badań przygotowano próbki hydrożelowe w kształcie kulek, rurek oraz próbki płaskie. Materiał w kształcie kulek wykorzystano do analizy stopnia i czasu degradacji, materiał rurowy wykorzystano do analizy wytrzymałościowej (rys. 1), natomiast próbki płaskie poddano analizie pęcznienia na systemie µDIC. Rurki wytworzono metodą zanurzeniową zol-żel. Próbki płaskie oraz w kształcie kulek przygotowano w foremkach, w których na alginian sodu rozpylano substancje sieciu-jącą, do momentu aż polimeryzacja objęła całą powierzchnię próbki. Po ukończonym procesie polimeryzacji materiał płukano w wodzie destylowanej.
Jagoda Kurowiak, Agnieszka Mackiewicz, Tomasz Klekiel, Romuald Będziński
Rysunek 1. Przykładowe próbki na bazie alginianu sodu do badań degradacyjnych (A) oraz do badań mechanicznych (B), [opracowanie własne]
Tabela 1. Nazewnictwo oraz rodzaj analizowanych materiałów Nazwa próbki Stężenie alginianu sodu
[mg/ml]
Rodzaj i stężenie substancji sieciującej [mol]
Al3_Ca1.0
30 Ca1.0
Al3_CaBa1.0 CaBa1.0
Al4_Ba1.0 40 Ba1.0
Al5_Ba1.5
50
Ba1.5
Al5_Ca1.0 Ca1.0
Al5_CaBa0.5 CaBa0.5
Źródło: Opracowanie własne
2.3. Badania degradacji
Degradację materiału hydrożelowego na bazie alginianu sodu prowadzono w roztworze moczu przygotowanego według receptury AU-5 Mayrovitz [19]. Degra-dację prowadzono maksymalnie przez 16 h dla wszystkich próbek, gdzie materiał hydrożelowy był zanurzony w moczu przez cały czas. W badaniach degradacji głównym zadaniem było obserwowanie zmian zachodzących w materiale hydrożelowym o różnym stężeniu alginianu i substancji sieciującej w bezpośrednim kontakcie z jedno-wartościowymi jonami obecnymi w moczu. Próbę wykonano 3-krotnie dla każdego rodzaju próbki.
2.4. Wytrzymałość mechaniczna – statyczna próba rozciągania
W celu określenia charakterystyk materiałowych dla różnych stężeń alginianu sodu i substancji sieciującej przeprowadzono testy jednoosiowego rozciągania. Badania przeprowadzono za pomocą maszyny wytrzymałościowej Zwick Roel EPZ 005.
Analizę prowadzono dla próbek rurowych w warunkach statycznej próby rozciągania w kierunku promieniowym (rys. 2 A-B), przy prędkości 5 mm/min [20]. Kierunek ten został zastosowany zgodnie z kierunkiem rozciągania stentu w cewce moczowej podczas przepływu moczu.
Alginian sodu jako biomateriał stosowany w leczeniu zwężenia cewki moczowej
Rysunek 2. Test jednoosiowego rozciągania materiału hydrożelowego na bazie alginianu sodu:
(A) przykładowe badanie próbki na maszynie Zwick Roel EPZ 005, (B) schemat rozciągania próbki w kierunku promieniowym, [opracowanie własne]
Wartości modułu Younga wyznaczano dla przedziału liniowego zależności naprężenie – odkształcenie przy odkształceniu w zakresie od 0 do 0,05 mm/mm. Próbę powtórzono dla serii 6 próbek dla każdego stężenia.
2.5. Analiza pęcznienia za pomocą systemu cyfrowej korelacji obrazu µDIC (micro Digital Image Correlation)
System µDIC pozwala na niezwykle dokładne i precyzyjne badanie określające lokalne mikro zmiany w obrębie badanego materiału w trzech kierunkach X, Y i Z (rys. 3 A-C). Głównym celem przeprowadzonego badania było określenie geome-trycznych mikro zmian na powierzchni hydrożelowego materiału podczas procesu pęcznienia pod wpływem zanurzenia w roztworze sztucznego moczu.
W badaniu wykorzystano system Q-400 µDIC z dwiema wysokorozdzielczymi kamerami (rozdzielność 5 Mpx) firmy Dantec Dynamics, które pozwalają na uzyskanie precyzyjnych obrazów i konturów próbki oraz ocenę stanu odkształceń i przemiesz-czeń w materiale. Badanie miało na celu określenie jak zmienia się geometria próbki, w tym przypadku jej średnica i grubość. Badania przeprowadzono dla wytypowanego spośród badań degradacji i wytrzymałości jednego rodzaju próbki. Płaską próbkę hydrożelową zanurzano w roztworze moczu po górną granicę jej powierzchni. Górną powierzchnię materiału zmatowiono, a następnie naniesiono patern z pyłu węglowego.
Próbę powtórzono 3-krotnie, czas jednej próby wynosił 3 godziny. Zdjęcie cyfrowe przedstawiające zmiany, wykonywano co 30 min. Badania prowadzono w tempe-raturze pokojowej.
Jagoda Kurowiak, Agnieszka Mackiewicz, Tomasz Klekiel, Romuald Będziński
Rysunek 3. Test pęcznienia na systemie do cyfrowej korelacji obrazu dla próbki Al5_Ba1.5:
(A) próbka bezpośrednio umiejscowiona na aparaturze DIC wraz z przyjętym układem współrzędnych, (B) próbka zanurzona po górną granicę powierzchni w roztworze moczu, (C) obserwacja próbki systemem
DIC z naniesionym paternem gotowa do dalszej analizy, [opracowanie własne]