Wieloskalowa funkcjonalizacja powierzchni materia┼é├│w przeznaczonych do kontaktu z krwi─ů

Drukuj

Multiscale surface functionalization of blood contacting materials

Aldona Mzyk

 

Streszczenie

Poszukiwanie skutecznych, d┼éugoterminowych rozwi─ůza┼ä w leczeniu chor├│b uk┼éadu kr─ů┼╝enia wi─ů┼╝e si─Ö z konieczno┼Ťci─ů projektowania nowoczesnych materia┼é├│w i urz─ůdze┼ä wspomagaj─ůcych prac─Ö uk┼éadu sercowo-naczyniowego. Istotn─ů rol─Ö w oddzia┼éywaniu krew - materia┼é odgrywa powierzchnia kontaktowa Wsp├│┼éczesne koncepcje poprawy hemozgodno┼Ťci s─ů ukierunkowane na modyfikacj─Ö biomateria┼é├│w poprzez zastosowanie nowoczesnych metod in┼╝ynierii powierzchni. Najbardziej obiecuj─ůcym podej┼Ťciem jest wytworzenie analogu tkankowego na┼Ťladuj─ůcego struktur─Ö i funkcje ┼Ťciany naczynia krwiono┼Ťnego. Dotychczas znanych jest niewiele prac bazuj─ůcych na tej koncepcji.

Niniejsza praca doktorska podejmuje pr├│b─Ö nowego spojrzenia na wielkoskalow─ů funkcjonalizacj─Ö i charakterystyk─Ö materia┼é├│w przeznaczonych do kontaktu z krwi─ů, nawi─ůzuj─ůc do wsp├│┼éczesnych trend├│w w projektowaniu biomimetycznych powierzchni. Praca by┼éa realizowana na dw├│ch r├│wnolegle prowadzonych ┼Ťcie┼╝kach badawczych, a po┼é─ůczenie uzyskanych rezultat├│w mia┼éo na celu wytworzenie wielowarstwowego analogu ┼Ťciany naczynia krwiono┼Ťnego. W pierwszym podej┼Ťciu, na polimerowe materia┼éy bazowe (poliuretan/polichlorek winylu) naniesiono metod─ů magnetronow─ů cienk─ů pow┼éok─Ö ceramiczn─ů. Nast─Öpnie powierzchni─Ö modyfikowano poprzez wytworzenie mikro-wzor├│w w postaci kana┼é├│w migracyjnych stosuj─ůc technik─Ö laserowej litografii interferencyjnej,
a kolejno pokryto wielowarstwow─ů porowat─ů pow┼éok─ů polielektrolitow─ů. Taka funkcjonalizacja mia┼éa na celu kontrol─Ö w┼éa┼Ťciwo┼Ťci powierzchni materia┼éu dla uzyskania ukierunkowanego wzrostu kom├│rkowego oraz poznania warunkuj─ůcych go mechanizm├│w. Druga ┼Ťcie┼╝ka badawcza podejmowa┼éa problem otrzymania porowatych pod┼éo┼╝y promuj─ůcych proces endotelializacji. W tym celu polimerow─ů powierzchni─Ö bazow─ů modyfikowano poprzez naniesienie wielowarstwowych film├│w polielektrolitowych metod─ů ÔÇ×warstwa po warstwie". Porowato┼Ť─ç pow┼éok ma istotne znaczenie dla odtworzenia funkcjonalno┼Ťci struktury ┼Ťciany naczynia krwiono┼Ťnego, gdy┼╝ umo┼╝liwia dialog mi─Ödzy kom├│rkami tkanki mi─Ö┼Ťniowej g┼éadkiej oraz ┼Ťr├│db┼éonka. Sieciowanie chemiczne oraz wprowadzenie nanocz─ůstek do struktury film├│w pozwoli┼éo na uzyskanie optymalnych parametr├│w stabilno┼Ťci, sztywno┼Ťci, topografii oraz porowato┼Ťci powierzchni. Modyfikacja przy pomocy nanocz─ůstek mia┼éa r├│wnie┼╝ zapewni─ç w┼éa┼Ťciwo┼Ťci przeciwbakteryjne oraz kontrol─Ö uwalniania wprowadzonych do pow┼éoki czynnik├│w wzrostu. Kana┼éy migracyjne uzyskane metod─ů ablacji laserowej pozwoli┼éy na kontrol─Ö migracji i wzrostu kom├│rek tkanki mi─Ö┼Ťniowej g┼éadkiej, na┼Ťladuj─ůc organizacj─Ö kom├│rkow─ů w ┼Ťcianach naczy┼ä krwiono┼Ťnych. Wykazano, ┼╝e pow┼éoki na bazie poli-L-lizyna/kwas hialuronowy (PLL/HA) sieciowane z wykorzystaniem karbodiimidu lub modyfikowane przy pomocy w─Öglika krzemu mog─ů stanowi─ç przysz┼éo┼Ťciowy, funkcjonalny materia┼é do tworzenia pow┼éok na elementy systemu wspomagania uk┼éadu sercowo-naczyniowego. Biomimetyczna wielkoskalowa funkcjonalizacja powierzchni materia┼é├│w na bazie poliuretan/polichlorek winylu doprowadzi┼éa do poprawy ich hemozgodno┼Ťci. Efekt ten uzyskano przez wytworzenie wielowarstwowej struktury imituj─ůcej architektur─Ö ┼Ťciany naczynia krwiono┼Ťnego. Praca prezentuje nowatorskie podej┼Ťcie w projektowaniu pow┼éok do kontaktu z krwi─ů i diagnostyce hemozgodno┼Ťci, co mo┼╝e by─ç wykorzystane w projektowaniu i wytwarzaniu nowej generacji biomateria┼é├│w.
 

Abstract

There are available many new devices applicable for cardiovascular system with a perspective of a prolonged working time, however, materials for their fabrication possess insufficient durability leading to hemocompatibility failure. The material surface plays an essential role in blood - material interactions. Therefore, the current material improvement concept is aimed at material modification via various surface engineering methods. The most promising seems to be fabrication the tissue analog which mimics natural vesselÔÇśs wall structure and functionality. Up to date, there have been described only a few attempts to the above mentioned idea. This dissertation efforts to give a new look at multiscale functionalization and characterization of blood contacting materials according to trends in the biomimetic surface designing. The work was realized in two parallel experimental paths leading to the multilayer vesselÔÇśs wall analog, combined together. In the first approach, polymer substrate materials were modified using the magnetron deposition of thin ceramic coatings. Then surface was patterned in form of migration channels by laser interference lithography. Described functionalization was performed in order to control material surface properties to obtain smooth muscle cells oriented growth and study mechanisms of cellular response to given conditions. The second path was aimed at obtaining porous coatings that promote endothelialization. Herein, the multilayer polyelectrolyte films deposited by Layer-by Layer method were finely applied. The porosity of such coatings would be a crucial feature to yield in the final functionalization step intercellular dialog between endothelial and smooth muscle cells. The optimal parameters for films stability, stiffness, topography and also porosity were obtained by chemical crosslinking and nanoparticles introduction. Nanoparticles were also examined regarding to provide films antimicrobial properties and as the potential growth factors release trigger.

Migration channels in form of straight lines obtained in ablation process provided the control of smooth muscle cells migration and spreading, mimicking their organization in blood vesselÔÇśs wall. Poly-L-lysine/hyaluronic acid (PLL/HA) coatings cross-linked by carbodiimide or modified by silicon carbide nanoparticles introduction could be the most promising for surface functionalization of cardiovascular devices. Biomimetic multiscale surface functionalization of polyurethane/vinyl polychloride base materials improved their bio(hemo)compatibility. Presented results confirmed that significant improvement of blood contacting materials could be possible by fabrication of the multilayer structure mimicking the natural blood vesselÔÇśs wall. The dissertation presented also a new approach in biomaterials hemocompatibility evaluation which seemed to be promising and would be developed in further experimental work. Obtained results would be fundamental for modern type of tissue analog preparation.



Recenzja prof. T. Ciacha

Recenzja prof. Z. Paszendy