Projekti / Programi
Emulzijsko templatiranje tri-dimenzionalnih makroporoznih ogrodij na osnovi sintetičnih polipeptidov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T390 |
Tehnološke vede |
Polimerska tehnologija, biopolimeri |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Sintetični polipeptidi, polimerizacija z odpiranjem obroča, ogrodja, emulzije z visokim deležem notranje faze, gojenje celic
Raziskovalci (11)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.997 |
Povzetek
Ogrodja s primerno zasnovano kemijsko sestavo in strukturo imajo velik potencial za uporabo na področjih kot so gojenje celic, regenerativna medicina in tkivno inženirstvo. Takšna ogrodja morajo posnemati hierarhično strukturo naravnih tkiv, da lahko zagotovijo potrebno strukturno in mehansko podporo. Nadalje morajo biomimetična ogrodja za uspešno delovanje in rast celic izkazovati potrebne biokemijske lastnosti in signalne motive. Do sedaj so ogrodja pripravili iz raznih vrst makromolekul, od naravnih polisaharidov in proteinov do sintetičnih polimerov na osnovi vinilnih monomerov in poliestrov. Glavne pomanjkljivosti obstoječih ogrodij iz sintetičnih polimerov so povezana z neprimerno razgradljivostjo, biokompatibilnostjo in površinsko funkcionalnostjo, medtem ko ogrodja iz naravnih biopolimerov v splošnem kažejo slabe mehanske lastnosti in neponovljivo izdelavo, zaradi česar prihaja do velik razlik v kakovosti ogrodij med šaržami.
Iz navedenih razlogov je želja pripraviti funkcionalna, tridimenzionalna (3D) ogrodja z izboljšanimi lastnostmi. V tem pogledu so poliHIPE materiali, pripravljeni s templatiranjem z uporabo emulzij z visokim deležem notranje faze (HIPE), zelo zanimiva sintetična ogrodja z nedvoumnimi prednostmi, povezanimi z njihovo edinstveno, med seboj povezano poroznostjo, ki zagotavlja migracijo celic, njihovo rast in vaskularizacijo, kot posledica učinkovitega prenosa hranilnih snovi, plinov in metabolnih izločkov. Vendar je bilo HIPE templatiranje do sedaj uporabljeno predvsem v kombinaciji z nerazgradljivimi sintetičnimi polimeri. Na drugi strani imajo sintetični polipeptidi, pripravljeni s polimerizacijo z odpiranjem obroča (ROP) N-karboksianhidridov (NCA), vse želene lastnosti, ki jih pričakujemo od materiala za 3D orodja, saj združujejo modularno naravo sintetičnih polimerov z biokompatibilnostjo in biorazgradljivostjo naravnih polimerov. Vendar do sedaj še niso pripravili ogrodij na osnovi sintetičnih polipeptidov, ki bi izkazovala kontrolirano morfologijo za optimalno celično rast. Zato je želja sintetizirati napredna, makroporozna, biomimtična ogrodja, ki bi združevala vse potrebne zahteve za podporo 3D rasti celic in ki bi omogočile integracijo z živimi celicami.
Tega izziva se bomo lotili z načrtovanjem, izdelavo in karakterizacijo poliHIPE ogrodij na osnovi sintetičnih polipeptidov, ki bodo izkazovala edinstveno 3D, med seboj povezano porozno strukturo, različno kemijsko sestavo in hitrost razgradnje ter primerno mehansko stabilnost. V ta namen bomo uporabili dva sintezna pristopa. Pri prvem pristopu bomo najprej pripravili linearne polipeptide različne kemijske sestave, ki jih bomo naknadno zamrežili v HIP emulziji in tako pripravili mehke polipeptidne poliHIPE hidrogele. V drugem pristopu pa bomo izvedli ROP NCA monomerov neposredno v zvezni fazi HIP emulzije, pri čemer bomo uporabili zamreževalce na osnovi N-karboksianhidridov, da bomo pripravili trdna polipeptidna poliHIPE ogrodja. V ta namen bomo raziskali ustrezen izbor kombinacijo vrste HIP emulzije (voda-v-olje (V/O), olje-v-vodi (O/V) in olje-v-olje (O/O emulzija) in ROP primerno izbranih NCA monomerov. Prednosti novo razvitih poliHIPE ogrodij na osnovi sintetičnih polipeptidov bomo ocenili z in vitro študijami. Poleg tega se bomo osredotočili na vzpostavitev in razumevanje relacij med sintezo, strukturo, lastnostmi, in vlogo ogrodja med gojenjem celic, da bomo lahko ocenili perspektivnost obeh sintetičnih pristopov za izdelavo emulzijsko templatiranih sintetičnih polipeptidnih ogrodij, primernih za tkivno inženirstvo. Pričakovani rezultati projekta bodo vodili v novo generacijo ogrodij, ki bodo izkazovala vse potrebne lastnosti, ki bi jih morala imeti visoko zmogljiva ogrodja za gojenje celic in tkivno inženirstvo.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani raziskovalni projekt razkriva obetavno alternativo trenutno razpoložljivim 3D ogrodjem za gojenje celic, tkivno inženirstvo in regenerativno medicino, saj nudi jasne prednosti v projektu predlaganih novih ogrodij pred obstoječimi in sicer z združitvijo morfoloških značilnosti poliHIPE materialov z edinstvenimi lastnostmi sintetičnih polipeptidov. PoliHIPE materiali iz sintetičnih polipeptidov doslej še niso bili pripravljeni, zato bodo pozitivni rezultati projekta presegli sedanje stanje na področju. Napredna poliHIPE ogrodja, pripravljena z emulzijskim templatiranjem sintetičnih polipeptidov, predstavljajo novo generacijo biokompatibilnih in biorazgradljivih ogrodij, ki bodo združevali vse potrebne lastnosti, kot so primerna arhitektura skeleta, dimenzijska stabilnost in primerno funkcionalizirana površina ogrodja.
Pričakovani rezultati predlaganega raziskovalnega projekta bodo pomembni za razvoj bazične polimerne znanosti, saj bodo poliHIPE ogrodja z izboljšanimi lastnostmi pripravljena z novo sintezno metodologijo, ki vključuje polimerizacijo z odpiranjem obroča N-karboksianhidridnih monomerov v kontinuirni fazi HIP emulzij. V splošnem ta vrsta polimerizacije v emulziji do sedaj še ni bila izvedena in predstavlja velik izziv polimernim znanstvenikom. Pričakujemo, da bodo ugotovitve, pridobljene med izvajanjem projekta zaradi multidisciplinarne narave projekta, pomembne tudi na področjih kot so koloidna kemija, materiali in biokemija.
Navsezadnje, pričakovani rezultati predlaganega raziskovalnega projekta ne bodo pomembni le za razvoj bazične znanosti, ampak tudi iz aplikativnega vidika, saj razgradljivi makroporozni nosilci z natančno opredeljeno morfologijo in funkcionalnostjo sledijo zahtevam za nove materiale in tehnologije v biomedicinskih aplikacijah, zlasti za gojenje celic, tkivno inženirstvo in regenerativno medicino. Rezultati projekta bodo pomembno vplivali na uveljavitev poliHIPE ogrodij na zelo konkurenčnem in hitro rastočem področju oblikovanja polimernih ogrodij za tkivni inženiring. Navsezadnje bodo pozitivni rezultati predlaganega projekta imeli velik tržni potencial kot posledica ekonomsko privlačne tehnologije priprave ogrodij, ki jo predlagamo v projektu za pripravo poliHIPE ogrodij na osnovi sintetičnih polipeptidov. Različne tržne analize kostnega tkivnega inženirstva na primer kažejo izrazito naraščajoče povpraševanje po nadomestnih kostnih vsadkih. EU tržišče za nadomestne kostne vsadke je bil leta 2010 ocenjen na 177 milijonov dolarjev s pričakovano 17 odstotno rastjo na letni ravni, kar pomeni, po napovedih MedTech Insight, 461 milijonov dolarjev v letu 2016.[ M. A. Velasco et al., Biomed Res Inter 2015, 729076]
Pomen za razvoj Slovenije
The proposed project discloses a promising alternative to currently available 3D scaffolds for cell culturing, tissue engineering and regenerative medicine since it offers clear benefits by combining morphological features of polyHIPE materials with unique properties of synthetic polypeptides. Such a combination is until now an unsolved challenge yet, and thus, the proposed project’s outcomes go beyond the current state-of-the-art in this scientific field. The resulting high performance emulsion-templated synthetic polypeptide-based polyHIPE scaffolds that intended to be developed in this project, present advanced polymeric scaffolds hitherto unexplored. Such scaffolds will integrate all important properties in a single piece material needed to create functional and implantable, biodegradable scaffold, and therefore, they will represent a new generation of biocompatible and biodegradable macroporous scaffolds distinguished by appropriate architecture, dimensional stability and suitable functionality.
The results expected from the proposed research project will be relevant to the development of polymer science since high performance polyHIPE scaffolds based on synthetic polypeptides are intended to be prepared by a new synthetic methodology involving ring opening polymerization of N-carboxyanhydrides monomers within a continuous phase of the HIPE which has not been tackled yet, and remains a major challenge to polymer scientists. We expect that findings acquired during the project execution will be, due to multidisciplinary nature of the project, relevant also to colloid, material, and biochemistry scientific community.
Last but not least, relevance of the results expected from the proposed research project will be important not only for the development of basic science, but also from the applicative point of view since degradable macroporous scaffolds with well-defined morphology and functionality follow the demands for new materials and technologies in biomedical applications, especially for cell culturing, tissue engineering and regenerative medicine. The project’s outcomes will have a significant impact on enforcement of macroporous scaffolds in a very competitive and rapidly growing field of polymeric scaffold design for tissue engineering. The results of the proposed project might have also a great market potential due to an economically attractive process that will be used for the preparation of synthetic polypeptide-based polyHIPEs. Different market analyses in bone tissue engineering for example show the increased demand for bone grafts substitutes. For example, the EU market for bone graft substitute products was valued at $177 million in 2010 and is expected to rise 17 percent annually, reaching the value of $461 million in 2016 as predicted by the MedTech Insight.[ M. A. Velasco et al., Biomed Res Inter 2015, 729076]
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
