Wyobraź sobie materiał, który potrafi naśladować naturalną strukturę ludzkich tkanek, wspierając procesy naprawcze i regenerację kości. To właśnie perspektywa, którą bada dr Aleksandra Korbut. Jej praca nad elektroprzędzonymi włóknami z biodegradowalnych polimerów i hydroksyapatytu (HAP) otwiera nowe możliwości dla biomateriałów w medycynie regeneracyjnej.

W inżynierii tkankowej biomateriały odgrywają coraz ważniejszą rolę, także w kontekście regeneracji tkanek kostnych. Badania dr Aleksandry Korbut z Politechniki Wrocławskiej, które zaprezentowała w artykule "High-filler content electrospun fibers from biodegradable polymers and hydroxyapatite: Toward improved scaffolds for tissue engineering" opublikowanym w czasopiśmie "Polimery w medycynie" wydawanym przez Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu, przynoszą niezwykle interesujące rezultaty. Elektroprzędzone włókna z biodegradowalnych polimerów i hydroksyapatytu (HAP), wskazują nowe kierunki rozwoju biomateriałów o potencjalnie szerokim zastosowaniu w medycynie.

Nowa generacja biomateriałów

Regeneracja kości to jedno z wyzwań współczesnej medycyny. Złamania, uszkodzenia wynikające z osteoporozy czy choroby nowotworowe niszczące tkankę kostną wymagają nie tylko skutecznego leczenia, ale także innowacyjnych technologii wspomagających procesy naprawcze. Tutaj na scenę wkraczają biomateriały – specjalnie zaprojektowane substancje, które mogą zastąpić lub wspierać funkcje uszkodzonych tkanek.

Jednym z najbardziej obiecujących narzędzi w tej dziedzinie są elektroprzędzone włókna. Są to struktury tworzone za pomocą techniki elektroprzędzenia, w której roztwór polimerowy jest rozciągany pod wpływem wysokiego napięcia i przekształcany w ultracienkie, przypominające nici włókna. Powstała siatka naśladuje naturalną macierz zewnątrzkomórkową (ang. extracellular matrix – ECM) – strukturę, która w organizmie człowieka wspiera komórki i reguluje ich funkcje.

Badania dr Aleksandry Korbut skupiają się na połączeniu tej zaawansowanej technologii z wykorzystaniem hydroksyapatytu (HAP), minerału naturalnie występującego w kościach i zębach. Jak podkreśla dr Korbut:

- Dzięki połączeniu biokompatybilnych polimerów z bioaktywnym HAP udało się stworzyć materiał o potencjale znacznie przewyższającym tradycyjne rozwiązania.

Jak powstają elektroprzędzone włókna?

Proces elektroprzędzenia może wydawać się skomplikowany, ale można go porównać do działania wirówki z bawełną, używanej w przemyśle tekstylnym. W tym przypadku zamiast bawełny stosuje się roztwór polimerowy, który pod wpływem pola elektrycznego zamienia się w cienkie włókna o średnicach rzędu mikronów (czyli tysięcznych części milimetra). Włókna układają się na specjalnym kolektorze, tworząc trójwymiarową, porowatą matę.

Doktor Korbut do swoich badań wykorzystuje dwa biodegradowalne polimery: poli-L-laktyd (PLLA) i polikaprolakton (PCL). To materiały, które po pewnym czasie rozkładają się w organizmie, nie wywołując skutków ubocznych. PLLA rozkłada się do kwasu mlekowego – związku naturalnie metabolizowanego przez ludzkie ciało. Dzięki temu zminimalizowane jest ryzyko powikłań, takich jak przewlekłe stany zapalne.

Innowacje inżynierii tkankowej- regeneracja kości: podcast

Kliknij, by odsłuchać!

Dlaczego hydroksyapatyt? Klucz do regeneracji kości

HAP to minerał, który odgrywa najważniejszą rolę w budowie kości i zębów, odpowiadając za ich wytrzymałość i zdolność regeneracji. Dodanie tego składnika do elektroprzędzonych włókien pozwala na stymulację osteogenezy – procesu, w którym komórki kościotwórcze tworzą nowe tkanki. Wprowadzenie HAP do mat polimerowych sprawia, że biomateriały stają się bardziej bioaktywne, co oznacza, że nie tylko wspierają regenerację, ale także lepiej integrują się z otaczającymi tkankami.

Proces tworzenia tych włókien wymaga jednak precyzyjnej kontroli. Jednym z najważniejszych czynników wpływających na jakość elektroprzędzonych mat jest wybór odpowiedniego rozpuszczalnika. Jak wyjaśnia dr Korbut:

- Rodzaj rozpuszczalnika w znacznym stopniu determinuje lepkość i napięcie powierzchniowe roztworu, co wpływa na jednorodność i strukturę włókien. Właściwy dobór substancji rozpuszczającej umożliwia nie tylko uzyskanie pożądanych parametrów technicznych, ale również wpływa na biozgodność materiału.

Rozpuszczalniki takie jak chloroform czy metanol doskonale mieszają się z HAP, co pozwala na równomierne rozmieszczenie minerału w matrycy polimerowej. Dzięki temu otrzymywane włókna są bardziej jednorodne i stabilne mechanicznie. Wyzwaniem jest natomiast toksyczność tych substancji, ponieważ ich pozostałości muszą zostać usunięte z gotowych materiałów, co podnosi koszty produkcji.

Alternatywą są bardziej przyjazne środowisku rozpuszczalniki, takie jak etanol czy woda. Chociaż są bezpieczniejsze dla potencjalnych zastosowań klinicznych, mogą utrudniać kontrolę właściwości mechanicznych włókien. Ponadto, optymalizacja lepkości roztworu i napięcia powierzchniowego jest bardzo ważna, aby zapobiegać powstawaniu defektów, takich jak nieciągłości czy nieregularności w strukturze włókien.

Precyzyjne zarządzanie tymi parametrami ma duże znaczenie w procesie elektroprzędzenia, zwłaszcza gdy celem jest stworzenie materiałów o wysokiej zawartości HAP, które jednocześnie zachowują swoje właściwości mechaniczne i biozgodność.

Wyjątkowe właściwości elektroprzędzonych włókien

Porowata struktura elektroprzędzonych mat pozwala na efektywną wymianę substancji odżywczych i metabolitów między komórkami a otaczającym je środowiskiem. To szczególnie ważne w przypadku regeneracji kości, ponieważ nowe tkanki muszą mieć zapewnione dobre warunki do wzrostu.

Badania dr Korbut pokazują, że wprowadzenie nawet 40% wagowych HAP do włókien nie tylko zwiększa ich bioaktywność, ale również poprawia właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość na rozciąganie. To bardzo ważne w przypadku zastosowań klinicznych, gdyż biomateriały muszą być trwałe jak naturalna tkanka.

Alternatywy i ich ograniczenia

Choć elektroprzędzenie jest jedną z najbardziej obiecujących technologii wytwarzania rusztowań dla inżynierii tkankowej, istnieją również inne metody. Drukowanie 3D pozwala na precyzyjne projektowanie makroskopowych struktur, ale nie oddaje mikroskopowych właściwości macierzy zewnątrzkomórkowej. Liofilizacja z kolei tworzy rusztowania o wysokiej porowatości, lecz pozbawione regularności włókien. Separacja faz umożliwia kontrolę mikrostruktury, jednak brakuje jej wszechstronności elektroprzędzenia.

Skalowanie produkcji i wyzwania

Jednym z największych wyzwań wprowadzenia elektroprzędzonych mat do praktyki klinicznej jest zapewnienie ich jednorodności. Doktor Korbut zauważa:

- Największym wyzwaniem związanym ze skalowaniem produkcji jest homogeniczność i jednorodność uzyskanego produktu, czyli zapewnienie jednolitych właściwości mechanicznych i morfologicznych na dużą skalę.

Produkcja na dużą skalę wymaga również eliminacji toksycznych rozpuszczalników i zgodności z rygorystycznymi normami prawnymi, co zwiększa koszty i czas wprowadzenia biomateriałów do użytku.

Przyszłość biomateriałów kompozytowych

Dalsze badania skupiają się na funkcjonalizacji włókien poprzez dodanie bioaktywnych peptydów lub nanocząstek HAP, które mogą dodatkowo stymulować regenerację kości. Jak podkreśla dr Korbut:

- Funkcjonalizacja włókien hydroksyapatytem lub bioaktywnymi peptydami może stymulować osteogenezę, znacząco poprawiając proces regeneracji kości.

Nadzieja dla pacjentów

Badania dr Korbut to kolejny krok w rozwoju biomateriałów. Dzięki połączeniu nauki i technologii elektroprzędzone włókna stają się kolejnym narzędziem w medycynie regeneracyjnej. Ich potencjał nie ogranicza się tylko do leczenia kości – mogą być także wykorzystywane w naprawie innych tkanek, otwierając nowe możliwości terapeutyczne.

- Dzięki zaawansowanej inżynierii materiałowej możemy zbliżyć się do rewolucji w leczeniu uszkodzeń tkanek – podsumowuje dr Korbut.

D. Sikora

FAQ: Innowacje inżynierii tkankowej- regeneracja kości

Jakie jest główne wyzwanie w inżynierii tkankowej?

Jednym z kluczowych wyzwań w inżynierii tkankowej jest stworzenie biokompatybilnych rusztowań, które mogą wspierać wzrost komórek i naśladować strukturalne oraz mechaniczne właściwości naturalnych tkanek.

Jakie są zalety stosowania biodegradowalnych polimerów w elektroprzędzeniu?

Popularne polimery stosowane w elektroprzędzeniu, takie jak polilaktyd, polikaprolakton oraz kopolimery kwasu mlekowego i glikolowego, są biokompatybilne i biodegradowalne. Te właściwości umożliwiają ich bezpieczne stosowanie w organizmie. Ponadto ich właściwości mechaniczne i powierzchniowe można łatwo modyfikować, aby dostosować je do różnych terapii.

Jakie są zalety stosowania włóknin przygotowanych za pomocą elektroprzędzenia jako rusztowań dla inżynierii tkankowej?

Włókniny wytwarzane metodą elektroprzędzenia charakteryzują się wysokim stosunkiem powierzchni do objętości oraz porowatą strukturą, co umożliwia efektywną wymianę składników odżywczych i metabolitów. To sprzyja procesowi regeneracji. Użycie biopolimerów zmniejsza ryzyko długoterminowych reakcji zapalnych po implantacji, ponieważ materiał stopniowo ulega biodegradacji i kontrolowanej resorpcji.

Jaki wpływ miało dodanie HAP do roztworów polimerowych?

Dodanie HAP do roztworów polimerowych znacznie zwiększyło lepkość, co stanowiło wyzwanie przy uzyskiwaniu jednorodnych włókien w procesie elektroprzędzenia. Wysoka lepkość mogła zatem powodować zatykanie igły podczas tego procesu. Aby temu zaradzić, badacze musieli dostosować parametry elektroprzędzenia, takie jak napięcie, szybkość przepływu i odległość między igłą a kolektorem.

Czym jest elektroprzędzenie?

Elektroprzędzenie to nowoczesna technika wytwarzania struktur włóknistych wykorzystywanych w medycynie regeneracyjnej. Polega na formowaniu włókien z roztworu polimerowego za pomocą sił elektrostatycznych generowanych przez wysokie napięcie. Siły te rozciągają ciecz, tworząc cienkie włókna osadzane na kolektorze, co pozwala uzyskać matryce przypominające naturalne struktury tkanek.

Dlaczego hydroksyapatyt (HAP) dodaje się do polimerów w elektroprzędzeniu?

Hydroksyapatyt (HAP) jest naturalnym składnikiem kości i zębów. Dodanie HAP do polimerów w procesie elektroprzędzenia poprawia właściwości włókien i tworzy kompozyty o lepszych parametrach. HAP zwiększa bioaktywność, stymuluje osteogenezę oraz przyspiesza regenerację tkanki kostnej. Dodatkowo ułatwia integrację implantu z tkanką, zmniejszając ryzyko odrzutu i wspomagając tworzenie nowej struktury kostnej.

Jaki był cel badania opisanego w źródle?

Celem badania było uzyskanie kompozytowych włóknin z biokompatybilnych polimerów zawierających możliwie największą ilość bioaktywnego wypełniacza (HAP). Włókniny te miały wspierać wzrost komórek, ich różnicowanie oraz tworzenie nowej tkanki. Unikalna struktura włóknin uzyskanych metodą elektroprzędzenia naśladuje prawdziwą strukturę tkanek, co w połączeniu z bioaktywnością HAP czyni je potencjalnie użytecznymi w medycynie regeneracyjnej.

Jakie były główne wnioski z badania?

Badanie wykazało możliwość tworzenia bioaktywnych kompozytowych rusztowań polimerowych (opartych na biopolimerach PCL i PLLA oraz mikrometrycznych cząstkach HAP w różnych proporcjach) za pomocą elektroprzędzenia. Naukowcy z powodzeniem wprowadzili dużą ilość HAP do włókien polimerowych, co zwiększyło ich hydrofilowość, korzystną w zastosowaniach inżynierii tkankowej. Wyniki podkreślają potencjał włóknin polimerowych łączonych z HAP w inżynierii tkankowej, szczególnie w regeneracji kości. Jednak kluczowe jest precyzyjne kontrolowanie procesu elektroprzędzenia, aby uzyskać stabilne i trwałe włókna zawierające HAP.

Doktor inż. Aleksandra Korbut jest adiunkt badawczo-dydaktyczny w Katedrze Inżynierii i Technologii Polimerów na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Prowadzi badania związane z modyfikacją polimerów naturalnych, syntezą polimerowych materiałów fotochromowych oraz wytwarzaniem nano- i mikrostruktur o różnej morfologii. Skupia się na wykorzystaniu techniki elektroprzędzenia do formowania włókien i mat biopolimerowych, stosowanych w medycynie regeneracyjnej jako implanty włókniste. Zajmuje się także wytwarzaniem porowatych i litych skafoldów polimerowych i kompozytowych wykorzystywanych jako implanty tkanki kostnej.

Czasopismo "Polimery w Medycynie" jest to recenzowane czasopismo naukowe o otwartym dostępie wydawane od 1971 roku. Obecnie jest to półrocznik.

"Polimery w Medycynie" stanowią niezależne, multidyscyplinarne forum wymiany informacji naukowych i klinicznych. Czasopismo publikuje oryginalne prace (techniczne, analityczne, eksperymentalne, kliniczne), doniesienia wstępne oraz przeglądy dotyczące zastosowania polimerów syntetycznych i naturalnych lub biomateriałów w różnych dziedzinach medycyny, farmacji, biotechnologii, weterynarii, nauk chemicznych i fizycznych, w tym m.in. biochemii, medycyny klinicznej, kontrolowanego dostarczania leków, farmakologii, stomatologii, implantologii oraz bioinżynierii.

Czasopismo "Polimery w Medycynie – Polymers in Medicine" jest własnością Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu, który jest także jego wydawcą i jedyną instytucją finansującą. Adres redakcji: ul. K. Marcinkowskiego 2–6, 50-368 Wrocław, Polska.

Web. A. Hasiak

Materiał powstał na podstawie artykułu:

High-filler content electrospun fibers from biodegradable polymers and hydroxyapatite: Toward improved scaffolds for tissue engineering

Aleksandra Korbut

Polymers in Medicine

doi: 10.17219/pim/196351

Innowacje inżynierii tkankowej- regeneracja kości