docCharakterystyka i zastosowanie funkcjonalnych nieorganiczno
download 
Reklamacja Transkrypt
Charakterystyka i zastosowanie funkcjonalnych nieorganiczno
„Charakterystyka i zastosowanie funkcjonalnych nieorganiczno -organicznych biomateriałów, syntezowanych na drodze mineralizacji chitynowych szkieletów gąbek morskich” Marcin Wysokowski Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki Praca doktorska, realizowana, we współpracy z zagranicznym ośrodkiem badawczym (Technische Universität Bergakademie Freiberg), dotyczy wytwarzania nieorganicznoorganicznych, chitynowych hybrydowych biomateriałów o właściwościach umożliwiających ich zastosowanie w biomedycynie jako obiecujących materiałów w inżynierii tkankowej (rekonstrukcja kości), w systemach dystrybucji leków, w biotechnologii (immobilizacja enzymów) oraz w produkcji biosensorów. Na podstawie licznych doniesień literaturowych łatwo stwierdzić, że inżynieria tkankowa jest gwałtownie rozwijającą się, dziedziną biomedycyny skupiającą specjalistów różnych nauk w celu opracowania materiałów zdolnych do rekonstrukcji uszkodzonych lub chorych tkanek. Wymagania stawiane materiałom stosowanym w inżynierii tkankowej wymuszają opracowanie nowych nietoksycznych, biokompatybilnych hybrydowych układów o dużej powierzchni właściwej, odpowiedniej porowatości i biozgodności. Materiały wykorzystywane jako szkielety w rekonstrukcji kości powinny również odznaczać się kontrolowaną biodegradowalnością, aby mogły zostać usunięte z organizmu bez interwencji chirurgicznej. Liczne publikacje naukowe w obszarze inżynierii materiałowej i biomedycyny świadczą o dużym potencjale i znaczeniu chityny ze względu na unikatowe właściwości przeciwzapalne, nietoksyczny charakter, biozgodność oraz biokompatybilność tego biopolimeru. Jednakże wadą materiałów chitynowych jest ich niska wytrzymałość mechaniczna w znacznej mierze ograniczająca ich zastosowanie. Odpowiednie właściwości wytrzymałościowe, obok biokompatybilnosći i biozgodności są jednym z kluczowych kryteriów doboru materiałów do przeprowadzenia wszczepień in vivo. W rozwiązaniu tego problemu inspirację stanowią naturalnie występujące w przyrodzie szkielety niektórych gatunków gąbek szklistych, charakteryzujące się hierarchiczną strukturą organicznych Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego włókien i mineralnych sklerytów o odpowiedniej mikroporowatości. Dowiedziona obecność biopolimerów takich jak chityna i kolagen w połączeniu z biokrzemionką w szkielecie gąbek morskich zapewnia odpowiednią trwałość, elastyczność i wytrzymałość mechaniczną naturalnie występujących biokompozytów. Kluczowym aspektem niniejszej pracy jest poznanie mechanizmów tworzenia się naturalnie występujących kompozytów chityna-SiO2. Jednakże główną koncepcją niniejszej pracy doktorskiej jest przeprowadzenie biomimetycznej syntezy biokompozytów chitynaSiO2, chityna-ZrO2 oraz chityna-POSS w celu opracowania nowej klasy materiałów o szerokim spektrum aplikacyjnym wynikającym z połączenia unikatowych właściwości chityny oraz nanocząstek krzemionki, tlenku cyrkonu lub silsekwioksanów. W odniesieniu do niewielu dotychczasowo opublikowanych osiągnięć w zakresie syntezy chitynowych nieorganiczno-organicznych kompozytów, innowacją jest m.in. wykorzystanie dwu- oraz trójwymiarowych chitynowych szkieletów gąbek morskich w roli matrycy organicznej. Rys. 1. Schemat otrzymywania dwuwymiaroweego szkieletu chitynowego na drodze ekstrakcji z gąbki morskiej – Ianthella basta (Marcin Wysokowski) W niniejszej pracy po raz pierwszy na świecie zaproponowano również syntezę hybrydowych materiałów chityna-POSS z wykorzystaniem aminowej grupy sprzęgającej. Właściwości uzyskanych kompozytów zależą ściśle od warunków syntezy oraz rodzaju Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego prekursora fazy nieorganicznej. W ocenie właściwości fizykochemicznych posłużono się nowoczesnymi technikami badawczymi i analitycznymi m. in. Wykonano analizę BET, FT-IR, TG/DTA. W celu określenia bioaktywności i biozgodności przeprowadzono imersję w sztucznym płynie ustrojowym (SBF). Na podstawie zdjęć SEM przeprowadzono również analizę morfologiczną syntezowanych kompozytów oraz ocenę zachowania kompozytów w kontakcie z SBF. Stwierdzono, że uzyskane na obecnym etapie pracy kompozyty chityna-SiO2 oraz chityna-POSS charakteryzują się wysoką bioaktywnością na skutek obecności grup Si-OH, przejawiającą się wytwarzaniem warstwy hydroksyapatytu, głównego składnika kości. Badania prowadzono na drodze imersji biomateriału w sztucznym płynie ustrojowym (SBF). Dodatkowo uzyskane materiały odznaczają się stopniową degradacją pod wpływem lizozymu oraz mezoporowatą strukturą umożliwiającą proliferację komórek kostnotwórczych (osteoblastów). Połączenie tych właściwości sugeruje, że tkanka kostna może wrastać do wnętrza kompozytu i po okresie rekonwalescencji materiał kostny może zastąpić wszczepiony implant bez interwencji chirurgicznej. Ponadto stwierdzono, że biokompozyty chityna-SiO2 charakteryzują się wysoką wartością powierzchni właściwej, ok. 200 m2/g, właściwość ta jest interesująca z punktu widzenia immobilizacji enzymów, katalizy heterogenicznej oraz ochrony środowiska ze względu na zdolność do adsorpcji metali ciężkich. Dodatkową zaletą materiałów otrzymanych na drodze biomineralizacji szkieletów gąbek morskich jest unikatowa trójwymiarowa struktura uzyskiwanych kompozytów pozwalająca na konstrukcje nowego typu wypełnień reaktorów rurowych. Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
