ΒΙΟΫΛΙΚΑ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΒΙΟΫΛΙΚΩΝ. 5o Μάθημα 9 ο Εξάμηνο σπουδών Μάθημα Επιλογής Διδάσκων: Αν. Καθηγητής Ε. Αμανατίδης ΤΡΙΤΗ 7/11/2017

Transcript

1 ΒΙΟΫΛΙΚΑ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΒΙΟΫΛΙΚΩΝ 5o Μάθημα 9 ο Εξάμηνο σπουδών Μάθημα Επιλογής Διδάσκων: Αν. Καθηγητής Ε. Αμανατίδης ΤΡΙΤΗ 7/11/2017

2 Επεξεργασία επιφανειών βιοϋλικών Φυσικοχημική μεταβολή επιφανειακών ιδιοτήτων Μέθοδοι τροποποίησης Εφαρμογές Μεταβολή πορώδους / νανοτραχύτητας Μέθοδοι Εφαρμογές Εμβάπτιση βιομορίων Μέθοδοι Εμβάπτισης Εμβάπτιση βιομορίων / κυττάρων

3 Φυσικοχημική μεταβολή επιφανειακών ιδιοτήτων

4 Στόχος επιφανειακών τροποποιήσεων βιοϋλικών Καθαρισμός επιφάνειας Παρεμπόδιση ρόφησης πρωτεϊνών Παρεμπόδιση ρόφησης κυττάρων Παρεμπόδιση ρόφησης βακτηρίων Παρεμπόδιση θρόμβωσης Ενίσχυση ρόφησης κυττάρων Μεταβολή ρυθμού μεταφοράς φαρμάκων Μεταβολή μηχανικών ιδιοτήτων (Ελάττωση τριβής αύξηση τραχύτητας Αντίσταση σε διαβρωση

5 Είδη επιφανειακών τροποποιήσεων

6 Είδη επιφανειακών τροποποιήσεων Φυσικοχημική μεταβολή ιδίας επιφάνειας βιοϋλικού Κάλυψη επιφάνειας υλικού με διαφορετικής χημικής σύστασης υμένιο Ανεπεξέργαστη επιφάνεια CaPO4 on Ti Επικάλυψη Επιμετάλλωση Βιοσυμβατό λεπτό υμένιο (π.χ υδροξυαπατίτης Επιφάνεια μεταβλητής σύστασης Εμφύτευση ιόντων Ομοιοπολική σύνδεση Αυτό-οργανούμενες επιφάνειες Langmuir - Blogdett Θειόλες Σιλάνια - Φωσφίδια

7 Είδη επιφανειακών τροποποιήσεων Φυσικοχημική μεταβολή ιδίας επιφάνειας βιοϋλικού Κάλυψη επιφάνειας υλικού με διαφορετικής χημικής σύστασης υμένιο Πρόσθετα σε κύριο όγκο υλικού DLC on PET Επιφανειακές Χημικές Αντιδράσεις Οξείδωση Φθωρίωση Σιλανίωση Εγχάραξη και ενίσχυση τραχύτητας (μίκρο και νάνο τραχύτητα) SI nanopatterned Πολύ-ηλεκτρολυτικά υμένια

8 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Έχει αναπτυχθεί ποικιλία μεθόδων ανάλογα με το είδος της επιφάνειας

9 Τεχνικές επιφανειακών τροποποιήσεων

10 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών - Πλάσμα ΚΥΡΙΟΣ ΟΓΚΟΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ 20 mm 500 mm ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΕΡΙΟ ΠΕΡΙΟΧΗ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΝΕΡΓΩΝ ΕΙΔΩΝ ΑΤΟΜΑ ΙΟΝΤΑ ΜΟΡΙΑ ΕΛΕΥΘΕΡΕΣ ΡΙΖΕΣ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΕΣ ΣΥΣΣΩΜΑΤΩΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΩΝ ΟΜΑΔΩΝ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΔΟΜΩΝ ΣΤΕΡΕΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΝΑΝΟΔΟΜΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ ΠΕΡΙΒΛΗΜΑ 10 μm 10 mm

11 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Πλάσμα ατμοσφαιρικής πίεσης Τοπική αποστείρωση Επούλωση πληγών Μεταβολή επιφανειακών ιδιοτήτων Επιστρώσεις διαφορετικής χημικής σύστασης Απ ευθειας επεξεργασία ζωντανού ιστού

12 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Εφαρμογές πλάσματος Καθαρισμός Αποστείρωση Σταυροδεσμοί και σταθεροποίηση πολυμερών Προστατευτικές επιστρώσεις Μεταβολή αντιδράσεων πρωτεϊνών / κυττάρων σε επιφάνειες Δημιουργία ενεργών θέσεων

13 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Υγρές χημικές ΠΑΘΗΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ Αλκυλίωση Φθορίωση επιφανειών Α. Αλκυλίωση πόλυ(χλώροτριφθωροαιθυλενίου) Β. Αντίδραση τριφθόρω-οξικού ανυδρίτη με υδροξυλιωμένη επιφάνεια Υγρή χημεία ή εναπόθεση ατμών

14 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών - Υγρές χημικές Φθορίωση Άλλες μέθοδοι για παρασκευή αδρανών υπερυδρόφοβων επιφανειών ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Υπερυδρόφοβες επιφάνειες Μεταφορά οξυγόνου Αιμοσυμβατότητα

15 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών - Υγρές χημικές Σιλανίωση Άλλες μέθοδοι για παρασκευή αδρανών υπερυδρόφοβων επιφανειών Πρότυπες επιφάνειες Πρόσδεση πρωτεινών Πρόσδεση RNA & DNA Προστασία υδρόφιλων επιφανειών

16 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Langmuir Blodget Σχηματισμός μονοστρώματος λιπιδίων Σχηματισμός αυτοδιευθετούμενων μονοστοιβάδων (SAMs) Χημική σταθερότητα Ποσοτική πρόσδεση πρωτεϊνών

17 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Φυσικές μέθοδοι Ion implantation π.χ προσθήκη Ir σε κράμα Ti-6Al-4V

18 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Φυσικές μέθοδοι Micro and nano patterning - texturing Εγχάραξη με πλάσμα Εκτύπωση με λέιζερ ή άλλη χημική μέθοδο Φυσική ή χημική παγίδευση πρωτεϊνών κυττάρων - βακτηρίων

19 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Φυσικές μέθοδοι Micro contact printing Εκτύπωση με μίκρο - επαφή Στάμπα PDMS (Πολυ-διμεθυλοσιλοξάνη) Μελάνι Αυτό-οργανούμενη στοιβάδα Πολυδιμεθυλοσιλοξάνη ως στάμπα Ως μελάνι χρησιμοποιείται κάποια αυτοοργανούμενη στοιβάδα Αποτύπωση γίνεται με επαφή Διαφορετικές περιοχές Ρόφησης Άπωσης κυττάρων

20 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Φυσικές μέθοδοι Inkjet printing Εκτύπωση Inkjet Τροποποίηση παραδοσιακής εκτύπωσης Ταχύτερη μέθοδο μικρότερες δομές Εναπόθεση βιομορίων Ελεγχόμενη εκχυση μικροσταγόνων σε συγκεκριμένες περιοχές υποστρώματος Καλύτερη ανάλυση από μcp Χρήση σε βιοαισθητήρες

21 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών - Φωτολιθογραφία Photo-lithography Προετοιμασία υλικού Εναπόθεση φωτοευάισθητου πολυμερούς Τοποθέτηση κατάλληλης μάσκας Έκθεση σε φως (UV) Εγχάραξη υλικού

22 Μέθοδοι τροποποίησης επιφανειών Εκτύπωση μορίων Εκτύπωση Μορίων Βιομιμητικές μέθοδοι Εφαρμογή σε βιο-αισθητήρες Παρασκευή πρότυπου συγκεκριμένης δομής και διάστασης για αναγνώριση βιομορίων

23 Εμβάπτιση βιομορίων

24 Εμβάπτιση βιομορίων Παραδείγματα βιολογικών μορίων που μπορούν να εμβαπτιστούν σε επιφάνειες πολυμερών Παραδείγματα ενζύμων που μπορούν να εμβαπτιστούν για θεραπευτικούς σκοπούς

25 Εφαρμογές βιομορίων Βιαντιδραστήρες Βιοδιαχωρισμοί Βιοαισθητήρες Ανάπτυξη κυττάρων Αντιθρομβοτικές επιφάνειες Απόσπαση DNA Μεταφορά φαρμακων

26 Μέθοδοι εμβάπισης βιομορίων Βραχυπρόθεσμη χρήση Π.χ έκλυση φαρμάκων Φυσική ρόφηση Φυσική «παγίδευση» Ομοιοπολική σύνδεση δημιουργία χημικών δεσμών Μακροπρόθεσμη χρήση Π.χ ιατρικά πρόσθετα

27 Μέθοδοι εμβάπισης βιομορίων Συνηθέστεροι μέθοδοι εμβάπτισης Ενεργοποίηση επιφάνειας Απ ευθείας σύνδεση με επιφάνεια Ενεργοποίηση βιομορίου Σύνδεση και Συμπολυμερισμός

28 Ομοιοπολική σύνδεση βιομορίων Συνηθέστερες χημικές ομάδες (binding agents) που χρησιμοποιούνται για εμβάπτιση και χημική πρόσδεση βιομορίων σε επιφάνειες

29 Χαρακτηριστικά παραδείγματα εφαρμογών τροποποιημένων επιφανειών

30 Χαρακτηριστικά παραδείγματα: Παρεμπόδιση ρόφησης πρωτεϊνών Παρεμπόδιση ρόφησης πρωτεϊνών επιθυμητή σε ορισμένες περιπτώσεις όπως: Ανεπιθύμητη / ανεξέλεγκτη απόκριση σε βιοαδρανή πρόσθετα Π.χ ρόφηση C3b γλύκοπρωτεϊνης: Αύξηση αριθμού λευκών αιμοσφαιρίων Ελάττωση της μη επιλεκτικής ρόφησης σε βιοαισθητήρες και βιοδοκιμές Κύρια Στρατηγική: Υδρογονωμένες Υδρόφιλες επιφάνειες Εναπόθεση Φιλμ πολυαιθυλαινοξειδίου (PEO) υπερυδρόφιλα δεν ευνοούν ρόφηση πρωτεϊνών

31 Χαρακτηριστικά παραδείγματα: Παρεμπόδιση ρόφησης κυττάρων Παρεμπόδιση ρόφησης κυττάρων σε βιοαδρανή βιουλικά επιθυμητή Παρασκευή επιφανειών που μιμούνται φυσικές βιολογικές επιφάνειες Παράδειγμα: Επιφάνειες που έχει εμβαπτιστεί η πρωτεϊνη αλβουμίνη (~ 60% πρωτεϊνών του αίματος Αλβουμίνη ανθρώπινου ορού Πρωτεϊνη υπεύθυνη για διατήρηση ωσμωτικής πίεσης και μεταφοράς υγρών στον οργανισμό Δεν ευνοεί ανάπτυξη κυττάρων

32 Χαρακτηριστικά παραδείγματα: Αποφυγή θρομβώσεων Παραδείγματα Αντιθρομβωτικών επιφανειών Α. Υδρόφιλες επιφάνειες Παρεμποδίζουν ρόφηση πρωτεϊνών Β. Υδρόφοβες επιφάνειες Ασθενείς αλληλεπιδράσεις με κύτταρα Μικρές τριβές με τη ροή αίματος Γ. Επιφάνειες που έχει εμβαπτιστεί ηπαρίνη (υψηλό αρνητικό φορτίο) Φυσική επιφάνεια διευθέτησης ενδοθηλιακών κυττάρων Απενεργοποίηση θρομβίνης Δ. Επιφάνειες που έχει εμβαπτιστεί αλβουμίνη Δε συνδέεται χημικά με αιμοπετάλια Υδρόφιλες Υδρόφοβες επιφάνειες Ηπαρίνη (βιομόριο με υψηλό αρνητικό φορτίο) Αλβουμίνη (δεν συνδέεται με αιμοπετάλια) Ε. Επιφάνειες που ευνοούν ρόφηση αλβουμίνης Παρασκευή παθητικών επιφανειών

33 Χαρακτηριστικά παραδείγματα: Αποφυγή ρόφησης βακτηρίων Detachment Mature biofilm Bacterial cells- Attachment to surface Attached cell monolayer Cell-cell Adhesion and proliferation I II III Attachment to uncoated surface by physicochemical forces II. Cell-cell proliferation To mature biofilm III. Detachment 1. Hydrophobic Interactions 2.Electrostatic Interactions 3.Van der Waals forces 1.Polysaccharide Intercellular Adhesin (PIA) 2.Accumulation Associated Protein (AAP) 1.δ toxin 2.Degradation of Extracellular macromolecules 33

34 Χαρακτηριστικά παραδείγματα: Αποφυγή ρόφησης βακτηρίων Αποφυγή ρόφησης παθογόνων βακτηρίων Κύριοι μηχανισμοί ρόφησης βακτηρίων Μέσω πρωτεϊνών και πολυσακχαριτών που εκλύονται από τη μεμβράνη του βακτηρίου Μη επιλεκτική ρόφηση Μέσω συγκεκριμένων πρωτεϊνών του πλάσματος αίματος. Π.χ S. aureus συνδέεται επιλεκτικά με φιμπρίνη φιμπρινογόνο Ίνες που δημιουργούνται από την εξωτερική μεμβράνη του βακτηρίου εκκινούν τη φυσική ρόφηση βακτηρίου σε επιφάνειες

35 Χαρακτηριστικά παραδείγματα: Αποφυγή ρόφησης βακτηρίων Ίνες που δημιουργούνται από την εξωτερική μεμβράνη του βακτηρίου εκκινούν τη φυσική ρόφηση βακτηρίου σε επιφάνειες Στρατηγικές για αποφυγή ρόφησης Α. Παθητικές επιστρώσεις: Υδρόφιλα πολυμερή κλπ Β. Επιστρώσεις με αντιβακτηριακή δράση Περιέχουν Ag (Θανάτωση βακτηρίων) Αντιβιοτικά (Θανάτωση βακτηρίων) Κατιονικά φιλμ (Λύση μεμβράνης βακτηρίων)

36 Στρατηγικές ενίσχυσης ρόφησης κυττάρων Α. Μεταβολή επιφανειακής ενέργειας ενίσχυση ρόφησης πρωτεϊνών Β. Παρασκευή επιφανειών με θετικό φορτίο (κατιονικές επιστρώσεις) Συνήθεις πρωτεΐνες αρνητικό φορτίο έλκονται από θετικό φορτίο επιφάνειας Προσοχή! Επιφάνειες με πολύ υψηλό θετικό φορτίο μπορεί να παρεμποδίσει ανάπτυξη κυττάρων Γ. Ενίσχυση τραχύτητας / πορώδους Αυξάνει την ενεργή επιφάνεια μπορεί να ευνοήσει φυσική ρόφηση Δ. Ενσωμάτωση χημικών ομάδων και βιομορίων σε επιφάνειες για εκλεκτική πρόσδεση κυττάρων