Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Biomateriałów PRACA DOKTORSKA Ewa Stodolak Badania nad modyfikacją powierzchniową i wpływem włókien na materiał polimerowy i odpowiedź komórkową Promotor pracy dr hab. inż. Marta Błażewicz, prof. AGH Kraków 2006 Pani dr hab. inż Marcie Błażewicz, promotorowi niniejszej pracy składam podziękowania za; pomoc merytoryczną okazaną w trakcie jej realizacji, cierpliwość podczas opracowywania i przychylną atmosferę stworzoną w czasie studiów doktoranckich Dziękuję również prof. dr hab. inż Stanisławowi Błażewiczowi za cenne uwagi i wskazówki udzielone w trakcie powstawania i analizy pracy doktorskiej. Wszystkim tym osobom, bez których pomocy, obecności i nastawienia praca ta nie mogłaby powstać – serdecznie dziękuję. Szczególne podziękowania należą się dwóm osobom, których cierpliwość życzliwość i wrażliwość sprawiły, że nadal pamiętam o tym, co ważne - za to, że były, za to, że trwały i za to, że są … Spis treści Spis treści Wprowadzenie.......................................................................................................................5 Indeks skrótów stosowanych w pracy....................................................................................7 1. Materiały dla zastosowań medycznych..............................................................................9 1.1 Wstęp...........................................................................................................................9 1.2 Materiały o zastosowaniu medycznym.......................................................................10 1.3 Kompozyty naturalne - kość.......................................................................................14 1.4 Biomimetyczne kompozyty kostne.............................................................................15 2. GBR – sterowana regeneracja kości. Materiały kompozytowe w GBR.............................18 2.1 Wprowadzenie...........................................................................................................18 2.2 Technika GBR...........................................................................................................18 2.3 Materiały wykorzystywane w membranach GBR.......................................................19 2.4 Membrany kompozytowe...........................................................................................21 2.5 Gradientowe materiały membranowe.........................................................................23 3. Rola powierzchni w inżynierii biomateriałów..................................................................24 3.1 Wprowadzenie...........................................................................................................24 3.2 Powierzchnia – ujęcie fizyczne i fizykochemiczne.....................................................25 3.3 Parametry opisujące powierzchnię .............................................................................26 3.3.1 Tekstura powierzchni..........................................................................................27 3.3.2 Skład chemiczny powierzchni.............................................................................27 3.3.3 Zwilżalność.........................................................................................................28 3.3.4 Swobodna energia powierzchniowa.....................................................................29 3.4 Techniki analizy powierzchni.....................................................................................30 3.5 Wpływ parametrów powierzchni na odpowiedź komórkową ......................................31 4. Modyfikacja powierzchni biomateriałów.........................................................................34 4.1 Wprowadzenie.......................................................................................................34 4.2 Możliwości modyfikacji powierzchni.....................................................................34 4.3 Przegląd metod modyfikacji powierzchni...............................................................35 4.3.1 Metody biologiczne: immobilizacja biomolekuł na powierzchni......................37 4.3.2 Metody immobilizacji......................................................................................37 4.3.3 Metody chemiczne i fizykochemiczne modyfikacji powierzchni......................38 4.3.4 Reakcje chemiczne..........................................................................................40 4.3.5 Szczepienie (ang. graffting).............................................................................40 4.3.6 Osadzanie plazmowe.......................................................................................40 4.3.7 Osadzanie filmów metodą LB..........................................................................41 4.3.8 Monowarstwy samoorganizujące się (ang. self-assembled monolayers)...........41 4.3.9 Wzornikowanie (ang. pattering)......................................................................41 5. Zjawiska zachodzące na granicy faz: komórka – materiał ................................................42 5.1 Wprowadzenie.......................................................................................................42 5.2 Adsorpcja białek....................................................................................................43 5.4 Wytworzenie wiązań komórka – biomateriał..........................................................44 5.5 Ograniczenia teorii DLVO w układach biologicznych............................................46 5.6 Termodynamika powierzchni a adhezja komórek...................................................46 5.7 Wpływ parametrów termodynamicznych na adhezję komórek................................47 6. Oddziaływanie komórka – materiał. Metody badania biozgodności materiałów...............49 6.1 Wprowadzenie.......................................................................................................49 6.2 Hodowle komórkowe w inżynierii biomateriałów...................................................50 6.2.1 Linie komórkowe............................................................................................51 6.2.2 Linie komórkowe wykorzystywane w badania biomateriałów kostnych...........53 1 Spis treści 6.3 Komórka jako wskaźnik biokompatybilności powierzchni. Metody badań struktur komórkowych w inżynierii biomateriałów...................................................................54 6.3.1 Metody badań adhezji......................................................................................54 6.3.2 Metody badań proliferacji................................................................................55 6.3.3 Metody badań zdolności sekrecyjnych komórek..............................................56 7. Zjawisko adhezji osteoblastów do powierzchni biomateriału............................................58 7.1 Wprowadzenie.......................................................................................................58 7.2 Błona komórkowa i jej rola w adhezji komórki na powierzchni badanej.................58 7.3 Mechanizmy adhezji komórek do powierzchni materiału.......................................60 Cel i zakres pracy................................................................................................................62 Metody badań......................................................................................................................65 1 Badania właściwości powierzchni.............................................................................65 1.1 Profilometria......................................................................................................65 1.2 Zwilżalność powierzchni....................................................................................65 1.3 Energia powierzchniowa....................................................................................66 1.4 Spektroskopia w podczerwieni FTIR - ATR.......................................................66 1.5 Mikroskopia sił atomowych AFM......................................................................67 2 Mikrostruktura powierzchni......................................................................................67 2.1 SEM...................................................................................................................67 2.2 Mikroskop optyczny...........................................................................................67 3 Biostabilność.............................................................................................................68 3.1 Zmiany pH.........................................................................................................68 3.2 Zmiany przewodnictwa......................................................................................68 4 Badania mechaniczne................................................................................................68 4.1 Badania wytrzymałości wybranych kompozytów...............................................68 4.2 Badanie odkształcalność powierzchni, odporność na deformacje........................68 5 Badania termograwimetryczne (DTA/TG)................................................................69 6 Badania strukturalne-jądrowym rezonansem magnetycznym (NMR).........................69 7 Badania różnicową kolorymetrią skaningową (DSC).................................................70 8 Ubytki