Naturalna regeneracja uszkodzonych tkanek jest w przypadku wielu ich typów praktycznie niemożliwa. Sposobem na rozwiązanie tego problemu jest zastosowanie w miejscu uszkodzenia sztucznego rusztowania (skafoldu), które ułatwia proces regeneracji.
Odpowiada ono za proces scalania komórek w tkanki, wpływa na ich kształt i ruch, a także stanowi dla nich mechaniczną podporę. Obecnie prowadzone są na szeroką skalę badania nad poliuretanami jako materiałami na podłoża do hodowli tkanek kostnych. Ich unikalna budowa chemiczna, osiągana dzięki możliwości modyfikacji substratów oraz warunków syntezy, pozwala na uzyskanie materiałów o szerokim spektrum właściwości mechanicznych, fizycznych i biologicznych.
Niniejsza praca magisterska ukierunkowana była na opracowanie parametrów procesu wytwarzania materiałów mających służyć jako podłoże do hodowli komórkowych w celu przygotowania produktu inżynierii tkankowej. W ramach pracy wykonano porowate, poliuretanowe podłoża do hodowli tkanek kostnych z poliolu na bazie oleju rzepakowego i różnych typów izocyjanianów.
W celu określenia budowy chemicznej otrzymanych materiałów poliuretanowych oraz warstw apatytowych wytrąconych na tych materiałach w wyniku zanurzenia w SBF wykorzystano spektroskopię w podczerwieni. Próbki zanurzone w płynie imitującym płyny ustrojowe uległy procesom degradacji hydrolitycznej. Analiza widm pozwoliła stwierdzić, że zaszedł proces narastania składników tworzących apatyty kostne. Spektroskopia FT-IR posłużyła także w celu określenia stopnia separacji fazowej. Wyniki badań świadczą, że stopień separacji fazowej jest zmienny w zależności od zastosowanego izocyjanianu SSFHDI<SSFIPDI<SSFHMDI. Otrzymane materiały poddano także analizie termicznej. Na termogramach badanych poliuretanomoczników obserwowano piki na krzywej DTG, będące wynikiem rozkładu wiązań uretanowych i mocznikowych oraz fazy miękkiej. Materiały, w których zastosowano izocyjanian HMDI charakteryzują się najwyższą temperaturą początku rozkładu, a po procesie ich spalania pozostaje najmniejsza masa. Temperatura początku rozkładu jest najniższa dla materiałów, w których wykorzystano HDI jako jeden z substratów reakcji. Po 3-miesięcznej ekspozycji materiałów w płynie SBF zaobserwowano zmniejszenie temperatury początku procesu rozkładu termicznego, a także obniżenie wartości temperatury maksymalnej szybkości rozkładu dla wszystkich badanych próbek. Zmniejszenie tej
63 temperatury jest wynikiem zmian, jakie zachodzą w strukturze badanych materiałów podczas degradacji hydrolitycznej. Na podstawie termogramów DSC stwierdzono, że materiały o najwyższej zawartości segmentów sztywnych mają najwyższą temperaturę dysocjacji fazy twardej oraz najniższą temperaturę zeszklenia fazy miękkiej. Różnice w porównywanych temperaturach mogą być wywołane także odmienną budową chemiczną zastosowanych izocyjanianów, a tym samym otrzymanych poliuretanomoczników. W celu oceny zastosowanej metody porowania, a także określenia zmian w strukturze będących wynikiem ekspozycji materiałów w płynie SBF, wykorzystano analizę obrazów SEM. Obserwacje przekrojów poprzecznych podłoży PURM pozwoliły stwierdzić obecność architektury otwarto-komórkowej. Różnice w rozmiarze, kształcie, ilości, porowatości i grubości ścianek makro-porów obserwowano na podłożach otrzymanych z różnych typów poliuretanomoczników. W wyniku obserwacji SEM stwierdzono, że otrzymano materiały o różnej architekturze w zależności od zastosowanego diizocyjanianu i czasu mieszania prepolimeru z przedłużaczem łańcucha. Najbardziej równomierny rozkład makro-porów, a także największą ich ilość obserwowano dla materiałów, w których substratem był izocyjanian HMDI. Ścianki makro-porów dla tego materiału mają najmniejszą grubość, charakteryzują się także największą mikro-porowatością w porównaniu z materiałami, w których zastosowano HDI i IPDI. Architektura materiału M2 jest zbliżona do M3, aczkolwiek ilość makro-porów w jego strukturze jest mniejsza a grubość ścianek większa w porównaniu do M3. Czas mieszania prepolimeru z wodą ma wpływ na architekturę otrzymanych materiałów. Wraz z wydłużaniem czasu mieszania kształty makro-porów są coraz bardziej regularne. Zarejestrowane obrazy powierzchni badanych materiałów pozwalają stwierdzić, że pierwsze apatyty osadzają się na próbkach już po miesiącu ekspozycji w SBF. Wraz z wydłużaniem czasu ekspozycji w roztworze sztucznego osocza ich ilość wzrasta. Na materiałach, w których jako izocyjanian zastosowano HMDI i HDI po trzech miesiącach narosło znacznie więcej apatytów niż na materiale, do którego wytworzenia użyto IPDI. Na powierzchni materiałów pojawiły się defekty w postaci dodatkowych mikro-porów oraz lokalnych ubytków materiału, co wskazuje na proces degradacji hydrolitycznej. Wytworzone materiały poddano także dynamicznym obciążeniom mechanicznym w próbie ściskania.
Poliuretany o segmentach sztywnych zbudowanych z HMDI i IPDI wykazują znacznie większą sztywność w porównaniu do materiałów, które zostały zsyntetyzowane z HDI.
Zarówno dla materiału M1 otrzymanego z użyciem izocyjanianu IPDI jak i materiału M2 otrzymanego z użyciem izocyjanianu HDI zaobserwowano zwiększenie modułów sprężystości i stratności wraz ze zwiększeniem czasu mieszania polimeru. Dla materiału M3,
64 w którym zastosowano HMDI, zaobserwowano zmniejszenie modułów E` i E′′ wraz z wydłużaniem czasu mieszania prepolimeru z przedłużaczem łańcucha. Analiza wyników badań przeprowadzonych dla materiałów po 3-miesięcznej ekspozycji w płynie SBF wskazuje na wzrost zarówno modułu zachowawczego jak i modułu stratności.
Przeprowadzone eksperymenty pozwoliły stwierdzić, że właściwości uzyskanych materiałów są zależne od rodzaju zastosowanego izocyjanianu oraz czasu mieszania prepolimeru z przedłużaczem łańcucha. Spośród badanych materiałów najkorzystniejsze właściwości uzyskano dla materiału wytworzonego przy użyciu izocyjanianu HMDI przy najdłuższym czasie mieszania polimeru.
Podsumowując wyniki uzyskane w niniejszej pracy można stwierdzić, że otrzymane poliuretanomoczniki mają duży potencjał jako produkt dla inżynierii tkankowej kości.
Opracowanie takiego produktu wymaga dalszych badań wykraczających poza zakres pracy magisterskiej.
65
Streszczenie
Niniejsza praca magisterska ukierunkowana była na opracowanie parametrów wytwarzania materiałów mających służyć jako podłoże do hodowli komórkowych w celu przygotowania produktu inżynierii tkankowej. W ramach pracy wykonano porowate, poliuretanowe podłoża do hodowli tkanek kostnych z poliolu na bazie oleju rzepakowego i różnych typów izocyjanianów, stosując różne parametry procesu wytwarzania.
Otrzymane poliuretany scharakteryzowano wykorzystując takie metody i techniki badawcze jak: spektroskopia w podczerwieni, analiza termograwimetryczna, różnicowa kalorymetria skaningowa, skaningowa mikroskopia elektronowa, analiza dynamiczno-mechaniczna. W celu oceny bioaktywności i przebiegu degradacji wytworzonych materiałów, przeprowadzono testy w symulowanym płynie ustrojowym (SBF).
Przeprowadzone eksperymenty pozwoliły wysunąć wniosek, że właściwości uzyskanych materiałów są zależne od rodzaju zastosowanego izocyjanianu oraz czasu mieszania polimeru. Wyniki uzyskane w niniejszej pracy pozwalają stwierdzić, że otrzymane poliuretanomoczniki mają duży potencjał jako produkt dla inżynierii tkankowej kości.
Słowa kluczowe:
poliuretany, skafoldy, polimery biomedyczne, polimerowe materiały porowate
66
67
Abstract
This dissertation presents the research of production parameters of materials used as the substrates for the cell culture growth in view of tissue engineering. The research includes the synthesis of porous polyurethane substrate for bone tissue formation from a polyol based on rapeseed oil and different types of isocyanates, using a variety of parameters of the manufacturing process.
Obtained polyurethanes were characterized using various methods and techniques such as infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, differential scanning calorimetry, scanning electron microscopy and dynamic-mechanical analysis. In order to evaluate the bioactivity and the course of the degradation, examined materials were tested in a simulated body fluid (SBF).
In conclusion it was found that the properties of the obtained materials depend on the type of isocyanate compound, and the mixing time, which was proven according to the experimental results. The results of this study lead to the conclusion that synthesised polyurethanes are a promising materials for bone tissue engineering.
Keywords:
polyurethanes, scaffolds, biomedical polymers, porous polymer materials
68
69 Bibliografia
1 Kaźnica A., Joachimiak R., DrewaT., Rawo T., Deszczyński J. Arthroscopy and Joint Surgery, 2007; 3(3): 11-16
2 Olszewska-Słonina D., Drewa T., Wiadomości lekarskie, 2006, LIX, 7–8: 585-589
3 Gunay A, Investigations on the biodegradable polymeric and inorganic substrates for controlled drug delivery and bone and cartilage repair, Middle East Technical University, 2008
4 Nałęcz M., Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000, T. 4, Biomateriały, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2003
5 Leatrese D. Harris, Byung-Soo Kim, David J., J Biomed Mater Res. 1998 Dec 5;42(3):396-402
6 Vats A., Clin Otolaryngol Allied Sci, 2003. 28(3):165-72
7 Stodolak E., Badania nad modyfikacją powierzchniową i wpływem włókien na materiał polimerowy i odpowiedź komórkową, AGH, Kraków 2006
8 Świerczyńska-Machura D., Kieć-Świerczyńska M., Kręcisz B, Pałczyński C., Alergia Astma Immunologia, 2004, 9(3), 128-132
9 Salgado, A.J., Coutinho o.p., Reis R.L., Macromol Biosci, 2004. 4(8): 743-65.
10 Gogolewski, S., Injury, 2000, 31: 28-32
11 LeGeros, R.Z., Clin Orthop Relat Res, 2002(395): 81-98.
12 Adams, C.S., J Biol Chem, 2001,276(23): 0316-22.
13 T. Kokubo, H. Takadama Biomaterials, 2006, 27:2907-2915,
14 Baszkiewicz J., Krupa D., Rajchel B., Barcz A., Sobczak J., Biliński A., Inżynieria Biomateriałów, 2001, 4(13):21-25
15 Piegat A., Synteza i właściwości nanostrukturalnych układów polimerowych dla Inżynierii Tkankowej, Zachodniopomorski Uniwersytet technologiczny, Szczecin 2010
16 Kundu B., Soundrapandian C., Nandi S., Mukherjee P., Dandapat N., Roy S., Datta B., Mandal T., Basu D., Bhattacharya R., Epub 2010, 27(8):1659-76.
17 Krasicka-Cydzik E., Haładyn J., Engineering of Biomaterials, 23-25, (2002), 42-43
18 Pradel W., Int. J. Oral Maxillofac. Implants 2005, 20(6):860-866
19 Jansen J., Recum A., Biomaterials Science, Elsevier Science & Technology Books, 2002, 218-224
20 Woźniak P., Opracowanie produktu inżynierii tkankowej kości z wykorzystaniem ludzkich komórek osteogennych i materiałów poliuretanowych, Warszawski Uniwersytet Medyczny, Warszawa 2009
21 Vezeau P., Koorbusch, Draughn G., Keller J., Oral Maxillofac Surg 54 (1996) 738-746
22 Lewandowska-Szumiel M., Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2005, 72(2): p. 379-87.
23 Kong G., Lee S, Kim K.S, Korean Med Sci, 2001. 16(6): p. 712-8.
24 Dulińska-Molak I., Poliuretanowe kompozyty z węglanem wapnia do zastosowania w inżynierii tkankowej, Politechnika Warszawska, Warszawa 2010
70
25 Grolik M., Inżynieria Tkankowa - nowe narzędzie w rekonstrukcji tkanek, Zeszyty Naukowe Towarzystwa Doktorantów UJ, 2011, Nr 3:33-39
26 Kucharska M., Bocian K., Butruk B., Ciach T., Implanty kostne, Przegląd Techniczny, Gazeta Inżynierska 2008
27 Hulbert S., Morrison S., Klawitter J., Journal of Biomedical Materials Research (1972) 347-374
28 Zima A., Wpływ dodatków modyfikujących na właściwości hydroksyapatytowych wielofunkcyjnych tworzyw implantacyjnych przeznaczonych na nośniki leków, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 2007
29 Malinowski R. Teka Kom. Bud. Ekspl. Masz. Elektrotech. Bud. – OL PAN 2008, 103–
106
30 Sosnowski, S., Wozniak P., Lewandowska-Szumiel M, Macromol Biosci, 2006. 6(6): 425-34.
31 Licheng Tan, Yiwang Chen, Weihua Zhou, Huarong Nie, Fan Li, Xiaohui He; Polymer Degradation and Stability 2010, 95, 1920-1927
32 Piórkowska E.; Kuliński Z.; Gadzinowska K. Polimery 2007, 7-8, 485-624
33 Kowalski A.; Libiszowski J.; Majerska K.; Duda A.; Penczek S. Polymer 2007, 48, 3952-3960
34 Guan, J. Biomaterials, 2005. 26(18): p. 3961-71
35 Tiwari, A., et al., Eur J Vasc Endovasc Surg, 2003. 25(4): 325-9.
36 Joshi, S., Webb K., Orthop Res, 2008. 26(8): 1105-13.
37 Hutmacher, D.W., Biomaterials, 2000. 21(24): p. 2529-43.
38Jaegermann Z., Ślósarczyk A., Gęsta i porowata bioceramika korundowa w zastosowaniach medycznych, AGH – Uczelnianie Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2007.
39 pl.wikipedia.org
40 Oryl J, Sawicz K, Popielarz R, Czasopismo Techniczne, 2009, 4:68-73
41 Wirpsza Z., Poliuretany - chemia, technologia, zastosowanie (1999) WNT, Warszawa
42 Rojek P., Pawlik H., Prociak A, Czasopismo Techniczne wydawnictwo Politechniki Krakowskiej,2010, 10:277-284,
43 Florjańczyk Z., Penczek S., Chemia Polimerów tom II, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002
44 Olczyk W.: Poliuretany, WNT, Warszawa 1968
45 Janik H., Polimery, 2010, Nr 6 (419—500)
46 Maciejewska M., Otrzymywanie pianki poliuretanowej- instrukcja do laboratorium, Politechnika Łódzka, 2010
47 Ionescu M., Chemistry and Technology of Polyols for Polyurethanes, Rapra 2005
48 Słowikowska I., Ćwiczenia laboratoryjne z chemii i technologii polimerów, OWPW, Warszawa 1997
49 Karty Charakterystyki, Merck Chemicals
50 Dworakowska S., Bogdał D., Prociak A.,(2010) November 1-30, 2010
71
51 Ryszkowska J., Rola budowy chemicznej i warunków procesu wytwarzania w kształtowaniu morfologii oraz właściwości materiałów poliuretanowych, Warszawa 2011
52 Bil M., Poliuretanowe podłoża do hodowli tkanki kostnej, Warszawa 2009
53 Szczeciński P., Praktyczne aspekty interpretacji widm IR-materiały do wykładów, Politechnika Warszawska
54 Tay F.R., Pashley D.H., Rueggeberg F.A., Loushine R.J., Weller R.N., Basic Research – Technology 2007, 33, 11, 1347–1351
56 A. C. A. Wan, H.-Q. Mao, S. Wang, K. W. Leong, L.K.L.L. Ong i inni; Biomaterials 22 (2001) 1147-1156
57 H. K. Lee, J. Y. Kim, Y. D. Kim, J. Y. Shin, S. C. Kim; Polymer 42 (2001) 3893-3900
58 Fundowicz P., Radzimierski M., Wieczorek M., Konstrukcja pojazdów samochodowych, WSiP, Warszawa 2010
59 Sobczak R., Nitkiewicz Z., Koszkul J., Badania dynamicznych właściwości mechanicznych kompozytów na osnowie polipropylenu wzmocnionych włóknem szklanym, Kompozyty, 2004, 4(12): 369-373
60 Karageorgiou V., Kaplan D., Biomaterials 2005, 26, 27, 5474–5491