Powrót
Rozprawa doktorska
Biomedyczny potencjał grafenu płatkowego
Celem rozprawy doktorskiej jest określenie możliwości zastosowania grafenu płatkowego w dwóch obszarach biomedycznych: tkankowej inżynierii regeneracyjnej oraz terapii antynowotworowej.
Wśród wielu istniejących materiałów, tlenek grafenu (GO) i zredukowany tlenek grafenu (rGO), dzięki swoim unikalnym własnościom fizykochemicznym, stanowią przedmiot intensywnych badań naukowych dla wspomnianych zastosowań. Ważną cechą GO i rGO jest ich rozwinięta powierzchnia aktywna, która umożliwia wiązanie związków czynnych biologicznie. Stosunkowa łatwość w sterowaniu właściwościami grafenu płatkowego daje nadzieje na daleko idące kierunkowanie jego zastosowań biomedycznych.
Prace z zakresu inżynierii tkankowej obejmują zastosowania komórek macierzystych oraz komórek wyspecjalizowanych dla regeneracji tkanek. Współczesna nauka skupia się m.in. na kierunkowaniu różnicowania komórek macierzystych poprzez opracowywanie biokompatybilnych podłoży, odpowiednich pod względem struktury chemicznej oraz morfologicznej, pozwalających na ich różnicowanie, dalszy wzrost i proliferację. Celem pracy było wytworzenie grafenu płatkowego o różnych parametrach strukturalnych, przeprowadzenie jego funkcjonalizacji związkami aktywnymi biologicznie, fizykochemiczna charakteryzacja otrzymanych materiałów, a dla wybranych próbek – przeprowadzenie podstawowych badań komórkowych. Badania komórkowe wykonano na mezenchymalnych komórkach macierzystych (hUC-MSCs) i komórkach linii L929. Pierwsze badania miały na celu wytypowanie grafenu płatkowego (pod kątem wielkości płatków, stężenia w zawiesinie, zawartości tlenowych grup funkcyjnych oraz medium zawieszającego płatki), mającego najbardziej pozytywny wpływ na żywotność, proliferację i morfologię komórek hUC-MSCs. Następnie wybrany materiał grafenowy był poddawany chemicznym modyfikacjom związkami o znanym działaniu biologicznym (m.in. ukierunkowującym różnicowanie komórek macierzystych oraz antybakteryjnym). Badania na komórkach linii L929 miały na celu sprawdzenie własności adhezyjnych GO względem komórek.
Terapia antynowotworowa wymaga opracowania materiału, który wykazywałby toksyczne działanie względem komórek zmienionych nowotworowo, powodując ich śmierć na drodze apoptozy, nie niszcząc przy tym otaczających, zdrowych tkanek. Zarówno rGO, jak i GO wydają się mieć ogromny potencjał w tej dziedzinie, dzięki stosunkowej łatwości ich funkcjonalizacji. W niniejszej rozprawie zbadana została możliwość modyfikacji grafenu płatkowego związkami wspomagającymi działanie antynowotworowe (nanoczątkami platyny, argininą, proliną, epirubicyną, 5-azacytydyną). Część z tych materiałów została zbadana na komórkach nowotworowych glejaka U87.
Z punktu widzenia biomedycznych zastosowań, istotne jest określenie możliwości sterylizacji grafenu płatkowego, co również zostało przedstawione w rozprawie. Opisano różne metody wykorzystywane w tym celu, wraz z analizą i dyskusją na temat ich wpływu na materiały grafenowe. Tymi metodami są: sterylizacja w autoklawie ciśnieniowym, tyndalizacja, sterylizacja wysokoenergetycznymi elektronami (β-) i promieniowaniem gamma (γ).
Zastosowane metody wytwarzania materiałów doświadczalnych:
• Tlenek grafenu (GO) był wytworzony poprzez utlenianie grafitu zmodyfikowaną metodą Marcano.
• Zredukowany tlenek grafenu (rGO) o różnym stopniu redukcji uzyskano w wyniku chemicznej redukcji związkami redukującymi: kwasem L-askorbinowym oraz podfosforynem sodu.
Chemiczne modyfikacje powierzchni grafenu płatkowego polegały na wytworzeniu wiązań kowalencyjnych i wodorowych z cząsteczkami wprowadzanych substancji, jak również wykorzystały oddziaływania elektrostatyczne i siły van der Waalsa.
Charakterystyka fizykochemiczna wytwarzanych materiałów objęła między innymi skaningową mikroskopię elektronową (SEM), mikroskopię sił atomowych (AFM), spektroskopię w podczerwieni (FTIR), rentgenowską spektroskopię fotoelektronów (XPS), spektroskopię Ramana, dyfrakcję rentgenowską (XRD) oraz spektrofotometrię UV-Vis.
Prace przeprowadzone w ramach niniejszej rozprawy mają charakter interdyscyplinarny, łącząc chemię, inżynierię materiałową oraz biologię w zastosowaniu medycznym. Rozprawa jest efektem współpracy z Uniwersytetem Jagiellońskim (Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii), Szkołą Główną Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie (Wydział Nauk o Zwierzętach) i Politechniką Warszawską (Wydział Inżynierii Materiałowej, Grupa Biomateriały).
- Słowa kluczowe
- Tlenek grafenu, zredukowany tlenek grafenu, biofunkcjonalizacja, biokompozyty, nanomateriały, komórki macierzyste, glejak, L929
- Identyfikator pozycji
- WUT0dceed4ddbd742a98f88db0233c725ea
- Rodzaj dyplomu
- Praca doktorska
- Autor
- Język
- pol (pl) polski
- Jednostka dyplomująca
- Rada Naukowa Dyscypliny Inżynieria Materiałowa Politechniki Warszawskiej (RND/RNDIMPW)
- Dyscyplina naukowa (Ustawa 2.0)
- Status pracy
- Obroniona
- Rok powstania
- 2020
- Data nadania stopnia
- 05-03-2021
- Promotor
- Recenzenci zewnętrzni
- Paginacja
- 213
- Słowa kluczowe w języku angielskim
- Graphene oxide, reduced graphene oxide, biofunctionalization, biocomposites, nanomaterials, stem cells, glioblastoma, L929
- Streszczenie w języku angielskim
- The doctoral thesis aims to determine the possibilities of flake graphene (graphene oxide GO and reduced graphene oxide rGO) application in two biomedical areas: regenerative tissue engineering and anticancer therapy. Among many existing materials, GO and rGO, thanks to their unique physicochemical properties, are the subject of scientific research for these applications. An important feature of GO and rGO is their highly active surface, which enables binding of biologically active compounds. The relative ease of controlling the properties of flake graphene gives hope for the possibility of directing its biomedical applications. Tissue engineering includes the application of stem cells and specialized cells in tissues regeneration. Nowadays, the science is focused e.g. on directing the stem cells differentiation by developing biocompatible substrates that will enhance this process. In the case of already specialized cells, it is important to create a substrate that will enhance theirgrowth and proliferation. The doctoral dissertation examined the potential for using GO and rGO in cell cultures, including mesenchymal stem cells (hUC-MSCs). Both graphene materials (GO and rGO) and their forms modified with inorganic nanoparticles and organic molecules were studied. The aim of the study was to produce flake graphene of various structural parameters, to functionalize it with biologically active compounds, to characterize the obtained materials and conduct basic cellular research on the selected samples. Cell studies were carried out on mesenchymal stem cells hUC-MSCs and L929 cells. The first studies were aimed at the selection of flake graphene (in terms of flake size, concentration, the content of oxygen functional groups and medium suspending graphene flakes). Next, the selected graphene materials were modified with compounds of known biological activity (e.g. molecules directing stem cells differentiation and antibacterial particles). Studies on L929 cells were examined to test GO’s cell adhesion properties. Anti-cancer therapy requires to develop a material toxic to cancer cells, causing their death through apoptosis without destroying the surrounding healthy tissue. Both GO and rGO, if properly functionalized, have the desired anti-cancer effect. The doctoral dissertation investigated the possibilities of flake graphene modifications with compounds that enhance anti-cancer properties (Pt nanoparticles, arginine, proline, epirubicin, 5-azacytidine). Some of these materials were tested on U87 glioma cancer cells. For the biomedical applications, the sterilization of flake graphene seems to be very important and therefore it was also taken under investigation. The different methods used for this purpose were described with the analysis and discussion of their influence on graphene materials. These methods are pressure autoclave sterilization, tyndallization, high energy electron sterilization (β-), UV and gamma radiation (γ). Methods used for the preparation of the flake graphene samples: • GO was produced by oxidation of graphite using a modified Marcano method • rGOs with different reduction degree were obtained by chemical reduction with the use of reducing compounds: L-ascorbic acid and sodium hypophosphite Chemical modifications of the surface of flake graphene use covalent bonds, hydrogen bonds, electrostatic interactions as well as van der Waals forces between flake graphene and the introduced compounds. Physicochemical characterization of the produced materials includes scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), infrared spectroscopy (FTIR), X-rayphotoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and UV- Vis spectrophotometry. The doctoral dissertation is interdisciplinary in nature, combining chemistry, material engineering and biology in medical applications. The dissertation is a result of cooperation with Jagiellonian University (Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology), Warsaw University of Life Sciences (Faculty of Animal Sciences) and Warsaw University of Technology (Faculty of Materials Science and Engineering, Biomaterials Group).
- Plik pracy
-
- Plik: 1
- 220-20 doktorat Jagiello_A4.pdf
-
- Jednolity identyfikator zasobu
- https://repo.pw.edu.pl/info/phd/WUT0dceed4ddbd742a98f88db0233c725ea/
- URN
urn:pw-repo:WUT0dceed4ddbd742a98f88db0233c725ea