Modificarea suprafetelor polimerice in vederea cresterii adeziunii celulareRaluca IsvancaMasterul de Substante, Materiale si Sisteme BiocompatibileAnul II

Page *

1.IntroducereBiomaterialele polimerice (sintetice, naturale, compozite)----- rol central in ingineria tisulara si medicina regenerativa: suporturi 3D pentru activitatile celularematrici pentru eliberarea de agenti terapeutici (medicamente, proteine, ADN, siARN)componente functionale ale unor dispozitive ( elemente sensibile, de stimulare, suprafete non- trombogenice, bariere difuzionale)

Proprietatile in volum ---- determinanti critici pt. performanta biologicaProprietatile suprafetei ---- determinanti pt. raspunsul biologicProprietatile fizico-chimice ale suprafetei---- moduleaza adsorbtia/activarea proteinelor si adeziunea celulara

Page *

2.Generalitati privind strategiile de modificare a suprafetelor

Page *

2.Generalitati privind strategiile de modificare a suprafetelor

Page *

2.Generalitati privind strategiile de modificare a suprafetelorAcoperirile groase afecteaza proprietatile mecanice si functionale ale materialuluiGrosimea ideala: ~ 10-15 In practica: 10-100 nm pentru asigurarea uniformitatii, durabilitatii si functionalitatiiStabilitatea suprafetei= cerinta criticadurabilitate mecanica (rezistenta la fisura, rupere, delaminare)Stabilitate chimica (mediu biologic= mediu chimic agresiv)

Page *

PrincipiuOperareaRezolutia spatialaAdancimeaSenzitivitateaTexturaInformatii compozitie chimicaElementeCompusiIzotopiIn plusUnghiul de contactudarea suprafetei cu un lichidAer- lichid---indirect---Energia de suprafataAFMInregistreaza fortele interatomice dintre varf si probaAer, solutie apoasaAtomica3-20 atomDaNuNuNuSEMVizualizarea emisiei secundare de electroni cauzate de bombardamentul electronicvid40 5-10 inaltaDaNuNuNuCristalinitateEDXEmisia de raze X cauzat de bombardament electronicvid40 1 m10-7 g/cm2NuZ > 5NuNuAESEmisia electronica Auger cauzat de bombardament electronicvid100 15-50 10-10 g/cm20,1 atom%NuZ > 3Deplasarile chimiceNuXPSEmisia de fotoelectroni cu energii caracteristice det. de raze Xvid10 m10-150 10-10 g/cm20,1 atom%NuZ > 3Deplasarile chimice (excelent)NuSIMSEmisie secundare de ioni in urma bombardamentului cu ionivid3-10 m10 10-13 g/cm2NuToateDaDaFTIRVibratiile moleculare det. de adsobtia radiatiei IRAer solutie apoasa(ATR)10 m< 1 m1mol%NuIndirectFrecventa de vibratieNuOrientarea monostratului

Page *

3. Modificari fizico-chimice

3.1. Modificari chimiceNumeroase reactii chimice, inclusiv iradierea laser/UV Reactiile nespecifice suprafata complexa, greu de caracterizat, din cauza prezentei diferitelor specii chimice in diferite concentratii ex. de reactii nespecifice: descarcare luminescenta in camp de RF (RFGD) in diferite plasme (oxigen, argon, nitrogen)Descarcare corona in aerTratamente acid-baza

Page *

3. Modificari fizico-chimice3.1. Modificari chimiceReactii specifice tintesc anumite parti chimice de pe suprafata, in vederea convertirii lor in alte grupari functionale cu putine zone reactive (nedorite)ex. de reactii specifice:AcetilareFluorizareHidroxilareSilanizarea suprafetelor hidroxilateIncorporarea de grupari glicidil in polisiloxaniModificarile chimice in vederea imobilizarii de biomolecule

Page *

3. Modificari fizico-chimice3.2. Modificari topograficeMarimea si forma caracteristicilor topografice, macro- si microstructura: adeziunea, raspandirea, alinierea celulararegleaza fenotipul celulelor diferentierea osteoblastelor reactiile inflamatoriiincapsularea fibroasa

Mecanismele care determina acest comportament nu sunt complet cunoscute

Page *

3. Modificari fizico-chimice3.2. Modificari topografice

Modificari ale texturii suprafeteiRugozitateTopografieParticularitati de amplitudine si lungime diferite,dispuse aleator, la o scara > dimensiunile celulare

Trasaturi controlate, bine-definite

Page *

3. Modificari fizico-chimice3.2. Modificari topografice RugozitateaSablajPlasma sprayingPolizare mecanica texturare cu arc electric sau fascicul ionic ( polimerii conductori)

Topografie: tehnici de micro- si nano-prelucrare fotolitografia combinata cu decaparea in plasma sau cu fascicul ionicLIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung) =litografie, galvanoplastie, modelare/turnare prelucrare LASER

Page *

4. Tehnologii de acoperire = depunerea unui strat superficial de compozitie diferita de cea a materialului de acoperit4.1. Acoperiri necovalente + aplicare simpla + capacitatea de a acoperi diverse materialeEx: Depunerea Langmuir-Blodgett unul sau mai multe straturi ordonate de molecule de surfactant ( fosfoslipide, amfifile) sunt plasate pe suprafata prin asamblarea moleculelor la interfata aer-apa si compresia lor ulterioaraUniformeStabilitate prin reticulare sau polimerizarea interna a moleculelor de surfactant dupa formarea filmului

Page *

4. Tehnologii de acoperire4.1. Acoperiri necovalenteDepunerea multistraturilor de polielectroliti ( poli(stirensulfonat), poli (alilamina), acid hialuronic, chitosan) o suprafata cu sarcina este inmuiata consecutiv si alternativ in solutii de polielectroliti cu sarcine opuse

Aditivi de suprafataMoleculele de aditivi sunt amestecate in toata masa materialului in timpul fabricarii, dar se ridic spontan, concentrandu-se la suprafata, datorita fortei de minimazare a energiei interfaciale

Page *

4. Tehnologii de acoperire4.2. Acoperiri covalenteGrefarea cu ajutorul radiatiei (ionizanta sau fascicul de electroni cu energie mare) radiatia rupe legaturile chimice din material, radicalii liberi si alte specii reactive fiind expuse unui monomerMonomerul reactioneaza cu acesteaSe propaga o reactie in lant a radicalilor liberiDepunerea in plasma via RF sau microundeRFGD poate genera acoperiri relativ continue pe substraturi cu geometrii complexe, aderenta buna si se pot insera diverse grupari functionale - chimia stratului rezultat este complexa si greu de definitAcoperiri cu monostraturi auto-asamblate- mai putin utilizate pentru polimeri, necesita o activare/oxidare a suprafeteiSAM sunt alcatuite din molecule formate dintr-un cap= gruparea de ancorare, un schelet organic si o coada= grupare functionala,

Page *

5. Modificari biologice ale suprafetelor

3 metode importante; Adsorbtia fizicaIncluziunea fizicaImobilizarea covalenta

Page *

5. Modificari biologice ale suprafetelor5.1. Adsorbtia fizica (fizi-sorbtia) Metoda simpla si eficientaEx: acoperirea cu proteine din MEC, cum ar fi fibronectina si colagenulInteractiuni hidrofobe, electrostatice, legaturi de H si forte van der Waals stabilitatea stratului se poate imbunatati prin cross-linkarea biomoleculelor dupa adsorbtie sau prin interactii de mare afinitate cum ar fi avidina-biotina si anticorp-antigen

Page *

5. Modificari biologice ale suprafetelor5.2. Incluziunea fizica incluziunea enzimelor in sisteme sol-gel cu nanoporozitatiincluziunea de agenti terapeutici (medicamente, proteine) in matrici polimerice

Page *

5. Modificari biologice ale suprafetelor5.3. Imobilizarea covalenta sau fixarea biomoleculelor de substraturi solubile sau solide polimerii solubili functionalizati cu biomolecule pot fi apoi polimerizati intr-o retea sau grefati pe un suport solid are la baza cuplarea reactiilor dintre gruparile biomoleculei (-NH2, -COOH, -SH) si polimerul suport, adesea fiind nevoie de agenti de reticulare sau cuplare precum carbodiimidele, N-hidroxisulfosuccinimidele de asemenea, biomolecula poate fi imobilizata covalenta printr-un brat spacer (PEG) acest brat poate fi labil hidrolitic sau enzimatic pentru eliberarea ulterioara a biomoleculei

Page *

Modificari biologice ale suprafetelorPentru unele aplicatii este necesar un strat rezistent la adsorbtia de proteine din mediuPolimeri hidrofobi: poli( 2-hidroxietil metacrilat), poliacrilamida, fosforil colina, PEGAltele: manitol, oligomaltoza, taurina

Page *

Aplicatiile biomedicale ale biomoleculelor imobilizate

BiomoleculaAplicatiiHeparinaSuprafete hemocompatibile;Imobilizare factori de crestereFibronectina, colagen, peptide RGD (Arg-Gly-Asp)Adeziune celulara in biosenzori, constructe inginerie tisularaAnticorpiBiosenzori, tratamente anti-cancer, bioseparareADN plasmide, oligonucleotide anti-sens, siARN Terapia genicaPeptide si proteine cu rol de factori de crestere Tratament anti-cancer, autoimune, anti-inflamatoriiEnzimeBiosenzori, bioreactoare, tratamente anti-cancer, suprafete anti-tromboticeMedicamenteTratamente anti-trombotice, anti-hiperplazie, anti-inflamatorii anti-infectioasePolizaharideSuporturi biosenzori si bioseparatii

Page *

6. Imprimarea chimica a suprafetei (patterning)Nu se urmareste o suprafata uniforma Zonele functionale sunt prezente dupa un anumit tipar geometricAplicatii: matrici de proteine si oligonucleotide, biosenzori, matrici bazate pe celuleMetode:FotolitografiereaImprimarea prin micro-contact sau expunerea in sisteme microfluidice

Page *

ConcluziiNumeroase tehnologii pentru modificarea fizico-chimica si acoperirea suprafetelor in vederea modularii raspunsului biologic

Marirea performantelor biologice a materialelor in medicina regenerativa: dezvoltarea tehnologiilor de biofunctionalizare, de micro si- nanofabricare si de caracterizare a suprafetelor

Page *

Bibliografie:Anthony Atala- Foundations of Regenerative Medicine: Clinical and Therapeutic Applications, 2009, pag. 368-377http://www.myoops.org/twocw/mit/NR/rdonlyres/Materials-Science-and-Engineering/3-051JSpring2004/1EB78036-625F-4D6C-B424-E56B25BC2356/0/lecture_9.pdfVladkova T.G.- Surface engineered polymeric biomaterials with improved biocontact properties, International Journal of Polymer Science, vol. 2010, http://www.hindawi.com/journals/ijps/2010/296094/