Kompozitní materiály – nová cesta k multifunkčním systémům pro tkáňové inženýrství
13. března 2023Od dob, kdy si člověk uvědomil nedokonalost lidského organismu při regeneraci poškozených tkání, směřuje snaha vědců k nalezení způsobu, jak tento nedostatek kompenzovat. Kromě konvenční léčby se proto rozvíjí i možnosti náhrady poškozené tkáně pomocí syntetických konstruktů s biomimetickými vlastnostmi.
Koncept biomimetiky, tedy inspirace přírodou a živými systémy a jejich napodobení technickým řešením vyvinutým člověkem, je příslibem pro vývoj materiálů s unikátními vlastnostmi. Klíčovou roli zde hraje spolupráce vědců z různých oborů, zejména pak materiálových inženýrů a buněčných biologů. Právě takovéto složení měl i tým projektu Grantové agentury České republiky (GA ČR), který se zaměřil na výzkum a bližší poznání vztahů mezi biomateriály a kmenovými buňkami.
Buňky vnímají velké množství vnějších stimulů. Souhra a vzájemná kombinace těchto stimulů, společně s vnitřním prostředím buňky, pak určuje její chování. Součinnost biomakromolekul tvořících prostředí v tkáních a buněk byla nastavena během dlouhého evolučního vývoje organismů a lze ji tedy považovat za zlatý standard. „Logicky se proto nabízí možnost vytvořit potřebnou souhru pomocí stejných biomakromolekul při přípravě ‚man-made‘ tkáňových nosičů. Praxe ale ukazuje, že se v současnosti jedná o technologicky nedosažitelný svatý grál. Vhodný přístup však může vést ke vzniku kompozitních systémů, které kombinují přírodní biomakromolekuly (vnášející kompatibilitu s živým systémem a část bioaktivních vlastností) se syntetickými materiály (přinášejícími bioaktivitu, responsivitu na vnější podněty a technologickou zpracovatelnost) a tím se mohou tomuto grálu maximálně přiblížit,“ konstatuje vedoucí týmu profesor Petr Humpolíček.
Příspěvkem k řešení této výzvy byl i projekt GA ČR realizovaný výzkumným týmem Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně a Masarykovy univerzity v Brně. Týmu se podařilo prostřednictvím přípravy kompozitních koloidních částic úspěšně propojit biopolymery (např. hyaluronan sodný) se syntetickými vodivými polymery (polyanilin, polypyrol). „Připravené částice byly nejen mísitelné s dalšími matricovými biopolymery za vzniku funkčních tkáňových nosičů, ale jako přidanou hodnotu vykazovaly antibakteriální vlastnosti. Zásadní skutečností však byla jejich kompatibilita s lidskými indukovanými pluripotentními buňkami považovanými za klíčové modely pro biomedicínské aplikace,“ vysvětluje docentka Věra Kašpárková, členka výzkumného týmu. Práce popisující tento systém byla publikována v prestižním časopise Carbohydrate polymers v roce 2021, a to i díky tomu, že její výsledky prokázaly schopnost indukovaných pluripotentních buněk vytvořit na popsaných materiálech tepající srdeční buňky. Zde byla využita typická vlastnost kompozitních systémů obsahujících elektricky vodivé polymery, tedy vodivost, protože potenciál využití takovýchto materiálů je primárně soustředěn na vývoj tkání citlivých na elektrické stimuly, jako jsou srdeční či nervová tkáň.
V průběhu experimentů narazili členové týmu na zajímavý efekt, který je klíčový při zvážení praktických aplikací jednoho z vodivých polymerů, polypyrolu. Polypyrol je odvozen od monomeru pyrolu, který je znám jako součást řady farmakologicky aktivních látek. Jedná se o polymer vykazující velmi slibné uživatelské vlastnosti, např. dobrou elektrickou vodivost ve fyziologickém prostředí či vysokou míru biokompatibility. Tým prokázal, že při přípravě tohoto polymeru vznikají vedlejší produkty, které dokáží v kmenových buňkách podporovat neurogenezi. Uvedený efekt je proto nezbytné buď zohlednit při přípravě kompozitních materiálů obsahujících polypyrol, nebo je potřebné zajistit vysokou míru jeho čistoty, pokud je neurogeneze pro danou aplikaci nežádoucí.
Další z kritických vlastností definujících biologickou hodnotu materiálu je morfologie a strukturování jeho povrchu, které ovlivňují a řídí chování buněk na daném materiálu. Proto byl týmem vyvinut postup přípravy cíleně strukturovaných povrchů založených na běžně užívaném tkáňovém plastiku. Jde o reprodukovatelný a řiditelný postup vedoucí ke vzniku variabilních biomimetických struktur, které mohou být následně modifikovány, např. pomocí plazmatu, nanesením filmu vodivého polymeru či chemickou úpravou vhodnými funkčními skupinami. V rámci řešení projektu se podařilo nejen připravit strukturované povrchy, ale také prokázat jejich buněčnou kompatibilitu s kmenovými buňkami. „Zajímavým efektem pozorovaným na jednom z typů povrchů byla jeho schopnost zvyšovat intenzitu fluorescenčního signálu, např. při měření odezvy srdečních buněk. Strukturovaný povrch, vycházející z běžného tkáňového plastiku, který zesiluje fluorescenční signály tak může najít zajímavé uplatnění v praktických studiích, které vyžadují citlivé měření buněčného chování,“ popisuje doktor Pacherník, spoluřešitel projektu, který tento efekt pozoroval.
Představený výzkum podpořený GA ČR tak má dopad nejen v oblasti základního výzkumu, ale může i přispět k rozvoji laboratorních metod pro realizaci studií, kdy je odezva buněk na daný podnět malá a lze ji špatně detekovat klasickými, doposud používanými postupy.
„Jedná se o tříletý projekt. Grantová agentura České republiky ho vyhodnotila jako excelentní, a to za vynikající výsledky, kterých vědci doposud dosáhli,“ uvedla mluvčí Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně Petra Svěráková.
Prof. Ing. Petr Humpolíček, Ph.D., je vedoucím výzkumné skupiny Biomateriály v Centru polymerních systémů Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Tým se zabývá výzkumem a vývojem biomateriálů, především pak s ohledem na stanovení jejich interakcí s eukaryotickými organismy. Specializuje se na elektricky vodivé polymery, koloidní systémy a chytré kompozitní materiály. Jeho tým spolupracuje s řadou prestižních pracovišť v zahraničí, a to nejen v oblasti řešení konkrétních problémů, ale také skrze dlouhodobé studentské stáže.
