Nanoformy węgla do zastosowań biomedycznych
Rozprawa doktorska, przygotowana w formie komentarza do spójnego tematycznie zbioru publikacji naukowych, dotyczy badań nad zastosowaniem nanometrycznych form węgla w medycynie. Praca miała na celu wykazanie, że poprzez odpowiedni dobór nanomateriałów węglowych w zakresie ich właściwości fizykochemicznych, a także zastosowanie adekwatnych metod wytwarzania, które mogą być optymalizowane dla uzyskania produktów o zróżnicowanych parametrach, możliwe jest otrzymanie zaawansowanych urządzeń wykonanych z nanomateriałów węglowych o cechach, które mogą okazać się przydatne w zakresie inżynierii biomateriałowej.
Dla osiągnięcia zamierzonego celu, do analiz wytypowano nanorurki węglowe, które, ze względu na swoje ciekawe właściwości w zakresie przewodnictwa elektrycznego oraz termicznego, biomimetyzmu do struktur biologicznych, a także dużej możliwości modyfikacji powierzchniowej, stanowią interesujących kandydatów dla wielu zastosowań medycznych: w zakresie produkcji sensorów, implantowalnych elektrod, podłoży do hodowli tkankowej, czy materiałów dla celów rekonstrukcji tkanek twardych. W pierwszej części pracy, analizowane były układy z nanorurkami w formie warstwy, wytwarzanych z użyciem techniki elektroforetycznego osadzania. Wykazano, że, poprzez odpowiedni dobór parametrów procesu, możliwe jest otrzymanie zarówno gęstych warstw o wysokim stopniu upakowania oraz dobrej adhezji do podłoża, które cechują się wysokim przewodnictwem elektrycznym oraz selektywną inhibicją adhezji względem niektórych typów komórek, przy jednoczesnej biozgodności, jak i wysoce porowatych podłoży o umiarkowanym przewodnictwie elektrycznym, które stymulują adhezję i proliferację osteoblastów. Udowodniono zatem, że technika elektroforetycznego osadzania jest przydatnym narzędziem do otrzymywania z nanorurek węglowych układów, o cechach, które mogą okazać się przydatne dla wielu potencjalnych zastosowań biomedycznych.
Druga część pracy dotyczyła badań nad nanorurką węglową umieszczoną w matrycy z nanowłókien węglowych, wytworzonych poprzez karbonizację polimerowych włóknin otrzymanych przy zastosowaniu techniki electrospinningu. Wykazano, że wprowadzenie nanorurki do matrycy węglowej może by drogą do uzyskiwania nowej generacji rozwiązań materiałowych w medycynie. Wytworzenie nanokompozytu polimerowego w formie włóknistej, a następnie jego karbonizacja prowadzić może do uzyskania materiałów o pożądanych właściwościach biologicznych.
Można zatem stwierdzić, że umieszczenia nanorurki w układzie, w którym oddziałuje ona intensywnie, bądź to z innymi nanorurkami czy podłożem, bądź z odpowiednio dobraną matrycą, to droga do uzyskania materiałów, które z jednej strony nie powinny stanowić zagrożenia dla pacjenta, a z drugiej — pozwalają na wykorzystanie unikatowych właściwości biologicznych tej nanoformy węgla w medycynie.
Biomedical applications of carbon nanoforms
The aim of the presented thesis was to prove that, by careful selection of the physicochemical properties of the nanoforms of carbon, paired with application of an optimized and adequate technique of fabrication, one can obtain materials with properties that may be highly desired for numerous biomedical applications. As a model form of nanocarbon, carbon nanotubes were selected. Due to their good electrical and thermal properties, structural and chemical biomimetism and high potential of surface modification, the carbon nanotubes are materials that in future may find applications in various fields of medicine: for new cancer treatment strategies (drug delivery, hyperthermia), bioimaging applications, as implantable electronic devices, advanced biosensors, scaffolds for tissue engineering or reconstruction of bone. Therefore, studies that are focused on evaluating an impact of their physicochemical properties as well as proposing the method of fabricating macro-scaled devices, are a subject of high interest when it comes to biomedical engineering. The carbon nanotubes were studied in two model systems: the first one was a form of a layer, deposited on a metal substrate via an electrophoretic deposition (EPD) and the second one in a form of an addition introduced into a carbon nanofibrous scaffold, obtained by carbonization of a polymer precursor, fabricated by electrospinning (ES). Both models were designed to carefully study an impact of various physicochemical properties of the carbon nanotubes on the interactions between the CNTs and between the CNTs and the
substrate (metal plate of carbon fiber, respectively) and the impact of those interactions on the outcome physicochemical properties of the fabricated materials. The obtained results were then correlated with a biological evaluation to gain information on how are living cells influenced by altering properties of either CNTs in the form of a layer or in the form of an addition to a carbon nanofibrous membrane. In the course of the studies, it had
been proven, that by careful selection of the EPD parameters, one can obtain layers that are either densely packed, well conductive and selectively inhibitive towards cells adhesion and growth or highly porous, moderately conductive and supportive for osteoblasts adhesion and growth. Thus, it was hypothesized that the EPD technique may be a useful tool for fabrication of CNTs layers of desired set of properties, carefully tailored to meet specific biomedical criteria for a target application. At the same time, evaluation of the fibrous scaffolds had proven that addition of a selected type of CNTs may be used as a tool to obtain biocompatible carbon nanofibers with a desired chemical composition and structural arrangement, which may be useful for tissue engineering.
It can hypothesized that fabrication of fibrous or layered constructs in which one can foresee the level of chemical interaction between the CNTs and the substrate of choice is a safe route towards introducing the CNTs into biomedicine.
