Oddelenie pre výskum biomateriálov

Vítame Vás na Oddelení pre výskum biomateriálov.

Naša web stránka Vám poskytne hlavné informácie o zamestnancoch, projektoch, zariadeniach, vybavení a publikáciách.

Hlavné aktivity oddelenia v niekoľkých oblastiach výskumu sú:

Imobilizácia bioaktívnych látok

Imunitná ochrana transplantovaných buniek v liečbe cukrovky

Dlhodobo sa zaoberáme témou využitia polymérnych materiálov v liečbe cukrovky transplantovanými pankreatickými ostrovčekmi, ktoré sú chránené pred imunitným systémom obalením v polymérnej membráne. Významnou je naša účasť na The Chicago Diabetes Project (www.chicagodiabetesproject.org) a v posledných rokoch v Enkapsulačnom konzorciu JDRF, v ktorých sa v úzkej spolupráci s pracoviskami v Európe a USA snažíme dostať do fázy klinického testovania enkapsulovaných  ostrovčekov. Pracujeme s mikrokapsulami pripravenými na báze polyelektrolytovej komplexácie. Tieto mikrokapsuly vykazujú minimálnu imunitnú odpoveď v myších modeloch a sú schopné dlhodobej imunitnej ochrany enkapsulovaných ostrovčekov, ktoré kontrolujú hladinu cukru v diabetických myšiach.  Našim cieľom je dosiahnuť takéto výsledky v predklinickom modeli primátov. V poslednej dobe sme výrazne pokročili v dizajne multikomponentných mikrokapsúl. Taktiež pracujeme na zdokonalení procesu enkapsulácie a fyzikálno-chemickej charakterizácii mikrokapsúl. V našom laboratóriu testujeme mikrokapsuly pripravené na spolupracujúcich priemyselných a univerzitných pracoviskách. O práci na tejto téme aktívne hovoríme s tými, ktorých sa cukrovka týka (pacienti a ich rodinní príslušníci, lekári) aj prostredníctvom neinvestičného fondu Cukrovka n.f. (www.cukrovkanf.sk).

Polyelektrolytové mikrokapsuly s enkapsulovanými ostrovčekmi sú transplantované do diabetických zvieracích modelov so zahrnutím predklinického modelu primátov

Imobilizácia buniek a enzýmov v biotechnológii

Naše skúsenosti s imobilizáciou bioaktívnych látok využívame v spolupráci s Chemickým ústavom SAV pre biotechnologické aplikácie. V uplynulých rokoch sa úspešne imobilizovali celé bunky (Nocardia tartaricans), enzýmy (glukózoxidáza) a iné typy biokatalyzátorov (Escherichia coli bakteriálne bunky produkujúce Baeyer–Villigerove monooxygenázy). Enkapsuláciou sa všeobecne dosahuje zlepšenie stability a aktivity imobilizovaných biokatalyzátorov a možnosť ich mnohonásobného použitia.

Poly(2-oxazolíny): polyméry pre biomedicínske aplikácie

Poly(2-alkyl-2-oxazolíny) patria k významnej skupine polymérov určených pre rôzne biomedicínske aplikácie. V súčasnosti sa ich výskum vo svete posunul smerom k prvým klinickým testom. Preto je dôležité venovať pozornosť štúdiu ich správania v živých organizmoch spoločne s ich cirkuláciou v organizme a terapeutickými účinkami. V tomto kontexte sa náš výskum sústreďuje na prípravu funkčných polymérov na báze 2-oxazolínov ako aj polymérov s komplexnou architektúrou, a tiež na štúdium ich interakcií s rôznymi bunkovými líniami.

Funkčné polyméry sú neoddeliteľnou súčasťou prípravy konjugátov s biomolekulami. Takéto konštrukty predstavujú liekové nosiče alebo vakcíny s predĺženým účinkom, využiteľné pre rôzne typy ochorení. V súčasnosti sa zameriavame predovšetkým na prípravu poly(2-oxazolínov) obsahujúcich nenasýtenú väzbu ako koncovú skupinu alebo v bočnom reťazci, ktoré je možné využiť na naviazanie terapeutických peptidov pomocou tiol-énovej click reakcie. Osobitným typom funkčného polyméru študovaného v našom oddelení je poly(2-izopropenyl-2-oxazolín), ktorý je možné pripraviť radikálovou polymerizáciou 2-izopropenyl-2-oxazolínu. V súčasnosti sa zameriavame na prípravu tohto typu polymérov pomocou kontrolovanej radikálovej polymerizácie s prenosom atómu, ktorá by umožnila prípravu polymérov s cielenou veľkosťou a úzkou disperzitou mólových hmotností. Prítomné voľné 2-oxazolínové skupiny sa využívajú na zavedenie rôznych štruktúrnych motívov ako aj konjugáciu s liečivami.

Amfifilné kopolyméry predstavujú materiály schopné sa samousporiadať vo vodných roztokoch alebo na rozhraní fáz, čo v našom prípade využívame na enkapsuláciu liečiv v micelárnych nanočasticiach. Na tvorbu nanočastíc a zároveň na enkapsuláciu liečiv využívame dva typy amfifilných kopolymérov. V prvom prípade sú to blokové kopolyméry pripravované sekvenčnou kopolymerizáciou hydrofilného a následne hydrofóbneho monoméru. V druhom prípade sa využívajú gradientové kopoly(2-oxazolíny) pripravené jednostupňovou katiónovou kopolymerizáciou. V našom výskume sme demonštrovali vysokú koloidnú stabilitu nanočastíc na báze gradientových kopolymérov a možnosť ich využitia pri enkapsulácii účinného prírodného liečiva kurkumínu.

Polyméry citlivé na vonkajšie podnety. Niektoré polymérne materiály majú schopnosť odpovedať skokovou zmenou vlastností na rôzne fyzikálne alebo chemické podnety. Túto vlastnosť je možné využiť pri dizajnovaní “inteligentných” nosičov liečiv či biosenzorov. V našom laboratóriu sa venujeme príprave polyoxazolínových (ko)polymérov schopných samousporiadania alebo agregácie pri stúpajúcej teplote. Ďalej skúmame vplyv ultrazvuku ako neinvazívneho externého stimulu na uvoľňovanie liečiv z poly(2-oxazolínových) miciel.

Spontánne a ultrazvukom urýchľované uvoľňovanie dexametazónu z miciel na báze poly(2-oxazolínov)

(Sci Rep 2018, 8, 9893)

Hydrogély predstavujú materiály často využívané  vo farmaceutických aplikáciách ako aj pre tkanivové inžinierstvo a 3D bunkové kultivácie. Naša práca je zameraná na prípravu hydrogélov na báze poly(2-oxazolínov) rôznymi metódami. Pripravujeme kovalentne presietené hydrogély s použitím rôznych bis(2-oxazolínových) sieťovadiel a taktiež hydrogély presietené UV svetlom a beta žiarením. Naším cieľom je optimálne nastaviť vstupné parametre, ako je napríklad množstvo a typ sieťovadla, aby sme pripravili materiály vhodné na použitie v biomedicíne. Sústreďujeme sa na skúmanie napučiavania, mechanických vlastností, vnútornej štruktúry a biokompatibility pripravených hydrogélov.

Biokompatibilné polymérne povrchy. Účinnou metódou prípravy biokompatibilných povrchov so zníženou mierou nešpecifického viazania sa proteínov je povrchová modifikácia polymérmi zo skupiny zwiteriónov a 2-oxazolínov. Na túto úpravu  rôznych nosných materiálov, ako je sklo, kov, silikagél alebo plasty, sa využíva niekoľko spôsobov aktivácie, napríklad pomocou indukovanej plazmy, elektrochemicky, (foto)chemicky alebo beta žiarením. Cieľom je permanentná povrchová modifikácia implantovateľných materiálov s cieľom zamedziť nežiadúce prejavy hostiteľského organizmu a predĺžiť funkčnosť daného implantátu

Polymérne systémy pre imunoterapiu nádorových ochorení

Nádorové ochorenia sú jednou z hlavných príčin mortality na svete napriek implementácii rôznych terapeutických prístupov. V posledných rokoch sledujeme návrat k prirodzeným spôsobom boja proti rakovine, ku ktorým patrí aj koncept imunoterapie. Moduláciou imunitného systému môžeme indukovať silné protirakovinové imunitné reakcie, prerušiť existujúcu toleranciu, podporiť regresiu nádoru, a vyvolať imunologickú pamäť, ktorá môže pomôcť zabrániť recidíve nádoru. Polyméry na báze 2-oxazolínov patria do skupiny biokompatibilných polymérov umožňujúcich prípravu širokej škály nosičov. Niektoré typy týchto polymérov majú preukázateľné imunomodulačné vlastnosti a boli použité aj ako nosiče na prípravu vakcín. Preto sa venujeme príprave komplexných polymérnych systémov tak, aby zabezpečovali princíp kombinovanej imunoterapie, ktorá spája imuno- a chemoterapeutické účinky. Tieto polymérne nosiče vďaka svojej prirodzenej štruktúre zabezpečujú stimuláciu buniek imunitného systému a zároveň slúžia ako nosiče pre cielený transport liečiv.

Tyčinkové nanočastice získané usporiadaním gradientových kopolymérov na báze 2-oxazolínov na snímke z transmisnej elektrónovej mikroskopie

Štúdium biokompatibility a imunokompatibility polymérov a polymérnych materiálov

S vývojom biomateriálov pre biomedicínske aplikácie je spojená aj ich charakterizácia nielen z pohľadu cytotoxicity a imunotoxicity, ale aj z pohľadu interakcií materiálov s tkanivom. Založením laboratória bunkových kultúr a zavedením viacerých molekulárno-biologických a imunologických metód (napr. testy viability, adhézie buniek a proteínov k povrchom, ELISA a iné) môžeme sledovať zmeny expresie proteínov, špecifických signálnych molekúl ako sú cytokíny a rastových faktorov. Tieto poznatky získané in vitro nám umožňujú výber vhodných typov materiálov pre testovanie v in vivo prostredí v zvieracích modeloch napr. v rámci spolupráce s CellTrans Inc v Chicagu. Vzájomné prepojenie in vitro a in vivo charakterizácií umožňuje koreláciu vlastností materiálov s ich využiteľnosťou v praxi. 

Modifikácia a charakterizácia polysacharidov

Polysacharidy zohrávajú významnú úlohu v biomateriálových vedách. V posledných dekádach sa pozoruje zvýšený záujem o modifikáciu, charakterizáciu a aplikácie polysacharidov v tejto oblasti. Pracujeme na zavedení katiónových, aniónových a zwitteriónových skupín do štruktúry polysacharidov s cieľom reprodukovateľnej syntézy smerom k dosiahnutiu požadovaných vlastností finálnych látok. Tiež pracujeme na syntéze polysacharidov s tzv. “click” skupinami ako prekurzormi pre vývoj biomaterálov. Jednou z tém je aj post-modifikácia hydrogélov použitím bioortogonálnej click chémie, ktorá prebieha kontrolovanou rýchlosťou, pri fyziologických podmienkach a ktorá poskytuje významnú diverzitu a komplexnosť. Z tohoto dôvodu je bioortogonálna chémia považovaná za ideálnu metódu pre prípravu a modifikáciu hydrogélov ako napr. hydrogély obsahujúce bunky a mikrokapsuly.

Radikálová polymerizácia vodorozpustných monomérov

Polymerizácia vodorozpustných monomérov vo vodnej fáze je veľmi špecifická vzhľadom na silné interakcie ovplyvňujúce kinetiku a mechanizmus polymerizácie. V spolupráci s univerzitami v Goettingene a v Kingstone a s firmou BASF SE v Ludwigshafene sme významne prispeli k pochopeniu kinetiky a mechanizmu homopolymerizácie a kopolymerizácie vodorozpustných monomérov zahrňujúcich neionizované i ionizované monoméry ako kyselinu akrylovú a metakrylovú, akrylamid, N-vinylformamid, N-vinylpyrolidón, zwiterióny, katiónové monoméry a i. Tieto poznatky zahrňujúce aj efekty rozpúšťadla pozorované pre polymerizáciu vo vodnej a organickej fáze sa získali vďaka využitiu pulznej laserovej polymerizácie a získaniu individuálnych rýchlostných konštánt. Následne tieto rýchlostné konštanty umožňujú modelovať priebeh polymerizácie ako aj distribúcie mólových hmotností a navrhnutie experimentálnych podmienok polymerizácií za účelom dosiahnutia požadovaných vlastností pripravených polymérov.

Pulzné laserové polymerizácie: od individuálnych rýchlostných konštánt k pochopeniu mechanizmu a kinetiky radikálovej polymerizácie až po jej modelovanie.

V prípade akýchkoľvek otázok sa informujte zaslaním mailu na igor.lacik@savba.sk