Biomateriály a jejich medicínské využití Jiřina Medalová jipro@sci.muni.cz [USEMAP] Co všechno lze nahradit?? •Organické náhrady •Kůže a kožní deriváty oKůže, Vlasy, zuby, boltce, nos •Orgány oledviny, srdce, játra, plíce, pankreas, penis •Tkáně oRohovka, mozková plena, céva, kost, šlacha, srdeční chlopeň, končetina, prst •Buňky oKostní dřeň, naprogramované T buňky, spermie, vajíčka o •Neorganické náhrady oFalešné oko oKloub, kost oKončetina, prst oZub oCévní stent oMeziobratlová ploténka oSrdeční chlopně • •Kombinace buněk a neorganických nosičů - biomateriálů oKůže oCévy o3D modely tkání osídlené buňkami (srdce, ledviny…) o o o o o • • • Výsledek obrázku pro oční náhrady Výsledek obrázku pro transplantace jater [USEMAP] Typy transplantací •Autotransplantace – přemístění tkáně v rámci jedné osoby • • •Alotransplantace – dárce a příjemce jsou stejného druhu • • •Xenotransplantace – dárce a příjemce jsou různého druhu • • •Aloplastika – využití cizorodých materiálů [USEMAP] Historie - Náhrady končetin, zubů 2500 př.n.l. Mexiko 800 př.n.l Egypt https://epochaplus.cz/egyptske-protezy-palcu-u-nohy-obstoji-i-v-dnesni-konkurenci/ http://www.lpdental.cz/p91/prvni-zubni-nahrady 1500 n.l. Japonsko 300 n.l Italie [USEMAP] Transplantace tkání Indie 500 př.n.l - Šušruta – plastika nosu, uší, - chirurgické nástroje Čína 200 let př. n.l. - Hua T´o a Pien Ch´iso - narkóza, transplantace srdce Turecko 300 n.l . - Kosma a Damián – transplantace končetin Výsledek obrázku pro Hua To a Pien Ch´iso DUINOVÁ, Nancy a Jenny SUTCLIFFOVÁ. Historie medicíny: Od pravěku do roku 2020. Praha: Slovart, 1997. SCHOTT, Heinz. Kronika medicíny. Praha: Fortuna Print, 1994. [USEMAP] Úspěšné transplantace •Transplantace kostí – 19. století, xenotransp. (pes) •Transplantace rohovky – 1905 OLOMOUC •Transplantace vnitřních orgánů • nutnost imunosuprese - Cyklosporin A 1954: První úspěšná transplantace ledviny (USA) 1966: První úspěšná transplantace slinivky břišní (USA) 1967: První úspěšná transplantace jater (USA) 1967: První úspěšná transplantace srdce (Jihoafrická republika) 1981: První úspěšná transplantace srdce a plic zároveň 1983: První úspěšná transplantace plicních laloků 1986: První úspěšná transplantace obou plic 1998: První úspěšná transplantace části slinivky břišní od živého dárce 1998: První úspěšná transplantace ruky (Francie) 2010: První úspěšná transplantace celého obličeje (Španělsko) 2010: První úspěšná transplantace umělého srdce (Itálie) 2015: První úspěšná transplantace penisu (Jihoafrická republika) • • [USEMAP] Umělé náhrady 1938 - První totální náhrada kyčelního kloubu 1940 – Zavádění polymerů do medicíny - PMMA pro nápravu zlomených kostí - celulóza pro dialýzu - stehy z nylonu 1952 – první mechanická srdeční chlopeň 1953 – první náhrada cévy z polymerního dacronu 1976 – první arteficiální srdce 1975 - Založení společnosti pro biomateriály Vývoj materiálů a cíl dané generace materiálů: 1.generace – od 1950 – inertnost materiálů 2.generace – od 1980 – bioaktivita materiálů 3.generace – od 2000 – obnovení funkčních tkání [USEMAP] http://www.technicalmuseum.cz/wp-content/uploads/2019/02/kosti_02.jpg http://www.technicalmuseum.cz/akce/az-na-kost/ [USEMAP] http://www.technicalmuseum.cz/wp-content/uploads/2019/02/kosti_02.jpg [USEMAP] Biomateriály Žádoucí vlastnosti - biokompatibilita: dobrá smáčivost, volná povrchová energie, povrchový náboj, konstantní drsnost, neimunogennost nekarcinogennost, nepyrogennost někdy je nutná samodegradovatelnost x vysoká stabilita - musí být sterilizovatelný - výroba musí být ekonomicky, časově i ekologicky nenáročná Postup testování - in vitro – cytotoxicita (cytokinetické parametry), mutagenita, imunogenita - buněčné kultury – analogická tkáň, buněčný model - in vivo – pyrogenita, systémová a akutní toxicita, imunogenita karcinogenita, mutagenita - myši prasátka lidé • [USEMAP] Nejpoužívanější materiály https://slideplayer.cz/slide/2315119/ [USEMAP] Nejpoužívanější materiály https://slideplayer.cz/slide/2315119/ [USEMAP] Nejpoužívanější materiály [USEMAP] Biomateriály a plazma Osteoartritida – kostní implantáty pokryté hydroxyapatitem pomocí plazmy https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28254288 - CaO-SiO2 plazmou nasprejovaný na keramiku https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18771893 Kardiovaskulární systém - chlopně s nepřilnavými vrstvami - hydrogely s imobilizovanými kmenovými buňkami https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25778713 Intervertebral disc – plazmou naspreovaný titan nebo titan + fosforečnan vápenatý https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15541680 Arteficiální cévy - nejrůznější polymery funkcionalizované plazmou https://www.mdpi.com/1996-1944/12/2/240 [USEMAP] lSkupina plazmových technologií na CEITEC (Doc. Zajíčková) lBiomateriály a tkáňové inženýrství, (FGÚ AVČR, doc. Bačáková) http://www.fgu.cas.cz/departments/biomaterialy-a-tkanove-inzenyrstvi?publicationsCount=20 https://www.ceitec.cz/plazmove-technologie-lenka-zajickova/rg9 Spolupráce [USEMAP] GAČR projekt: Plazmové polymery připravené na nanovlákenných membránách pro inženýrství cévní tkáně Povrchy tvořené polykaprolaktonem spřadeným do nanovláken a funkcionalizované aminy jsou vhodnými nosiči pro náhrady cév Výsledek obrázku pro cevní náhrada [USEMAP] plasma-polymerisation-reactor Cyclopropylamine + Ar Plazmová funkcionalizace povrchů Nerezový reaktor s diagnostickými metodami pro plazmu Schéma kapacitně vázaného plazmového výboje 13.56 MHz [USEMAP] Projekt •Plazmatem aktivovaný cyklopropylamin vytváří aktivní aminové (+) funkční skupiny na povrchu polystyrenových misek a nanovlákenných membrán z polykaprolaktonu -Hlavní změna fenotypu buněk - zvýšení odolnosti vůči trypsinu -Studované buněčné linie -Myoblasty kosterní svaloviny (C2C12) -Keratinocyty (HaCaT) -Fibroblasty (LF) -Buňky hladké svaloviny z cévy (VSMC) -Endotelové buňky (HUVEC, HSVEC, CPAE) -3 studované povrchy - 10 W, 30 W a 150 W • - Petriho misky • - nanovlákna z polykaprolaktonu -Imunologická odpověď – RAW makrofágy + ELISA •- Kokultivace endotelových buněk a VSMC • [USEMAP] Membrány •Cell crowns (Scaffdex) – s membránami v 24 W desce - nejsou průsvitné, nutné fluorescenční barvení •Stanovení cytokinetických parametrů • • Výsledek obrázku pro biomaterials for tomorrow [USEMAP] Odolnost buněk vůči trypsinu https://lh6.googleusercontent.com/bS3m9WQESCmi5iFNIzJsa0iImBAsaNGWIxdWr2c1SQB2K6SBDKGtxDaPxCp9EpLGi pcDiT7M394eq5a98XrDfwmSuHCfkWRxU915KfQ5tJdDB7SUIC2VSWrpxuk4vgJx6LwQx2o7 P. Černochová, et al. 2020, Cell type specific adhesion to surfaces functionalized by amine plasma polymers, Scientific Reports (in revision) [USEMAP] Time lapse video, HUVEC, Pav 10 W, t=3h [USEMAP] Rychlost pohybu Rychlost přisedání [USEMAP] VSMC 2h 220 VSMC 2h K HUVEC 2h 220 HUVEC 2h K https://lh5.googleusercontent.com/aarFxOi224IWUQDgXpaRPGAHFd3XhohOWd0cHiJH2HCS1BYpV8DBw4Jv63Y_plTC9 i6jOHZNNzk2pb6l8gX184P5ZuIgIZFGdsii6mL8PeoZMVizOvWdEB79RAcqV8rHFsmjQdVc https://lh3.googleusercontent.com/osBIlmDcxOiVZOfnUls6B8I43TkUaS9_MkHK-HwE_HNKV_acYRZXpLnm3-5M0fkvH CAdQ15cQHblc-q9yeo8l5opna7uiAuBeRPfJPK0nguS42rI05nfgxpNSI-YwQu1b8HBjR4c https://lh5.googleusercontent.com/2uD9NKPCIlzYeJMRWd5X_XzWZtCDM3h10LLxLYyF1Y9L6wrQ9rebe_RJDzGowORxN ZLe8usjViiUWYr1XDw5DWSQebfAepcoeJrD0Chhxx_imh_VtxIM8-HGkkkxBcJVtLGrSomB https://lh6.googleusercontent.com/UyhOs22ytwOU4mTNmgLB55qeZmZ_FVuMvMNnJ4xTAGJkWfFaDKxHQPjyir74aE4Yj iwRt6S-Q_alg5XjLqY0e1EomyWJ87mBPhqyy-8hbk4e2KJ5MkR2KmbY_GZccnoXUOTkG4eD F-actin paxillin Konfokální mikroskopie [USEMAP] Shrnutí •Dlouhá a pestrá historie náhrad tkání a orgánů •Využití plazmy pro modifikace povrchů oZvýšení adheze, které ovlivňuje i rychlost dělení buněk o oAktuální problematika, do které se můžete zapojit oStudium cytokinetiky, life imaging oKokultivace buněk na opačných stranách membrány oStanovení imunitní odpovědi (IL6, TNFa) [USEMAP] Výsledek obrázku pro biomaterial science Děkuji za pozornost! jipro@sci.muni.cz [USEMAP]