Nanokompozyt poly(ε-kaprolakton)/tlenki żelaza dla zastosowań medycznych

• Autorzy: Świętek M. , Gwizdała J. , Tokarz W. , Menaszek E. , Błażewicz M.

Warianty tytułu

EN

Poly(ε-caprolactone)/iron oxides nanocomposite for medical applications

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Nanokompozyty polimerowe stanowią szeroką grupę materiałów znajdujących zastosowanie zarówno w wielu gałęziach przemysłu, jak i w medycynie. Fenomen nanokompozytów związany jest z łatwością modyfikacji ich cech materiałowych będących pochodną właściwości zarówno samego polimeru, jak i zastosowanego nanododatku. Pozwala to na projektowanie oraz wytwarzanie materiałów o określonej charakterystyce, adresowanych do konkretnych potrzeb. Celem niniejszej pracy było otrzymanie oraz charakterystyka polimerowych nanokompozytów o właściwościach magnetycznych. Jako osnowę polimerową wykorzystano biozgodny i bioresorbowalny poli(ε-kaprolakton), do którego wprowadzono cząstki magnetytu znajdujące się w dyspersji nanometrycznej. Do przygotowania materiałów zastosowano prostą metodę odlewania filmu/odparowania rozpuszczalnika. W celu zbadania wpływu zawartości nanododatku na właściwości nanokompozytu przygotowano serię materiałów różniących się od siebie ilością wprowadzonych do matrycy polimerowej cząstek magnetycznych (0; 0,5; 1 oraz 2%). Charakterystyka nanokompozytów obejmowała badania własności magnetycznych i powierzchniowych materiałów oraz ocenę ich degradacji oraz biozgodności. Pętle histerezy wprowadzonego do matrycy polimerowej nanododatku oraz otrzymanych nanokompozytów wykazywały przebieg typowy dla multidomenowych materiałów ferrimagnetycznych. Zaobserwowano, że istnieje korelacja pomiędzy wartością namagnesowania nasycenia oraz remanencją, a zawartością cząstek magnetycznych w nanokompozycie. Na podstawie obserwacji mikroskopowych stwierdzono, że część wprowadzonych cząstek magnetycznych ulega aglomeracji, reszta zaś pozostaje w dyspersji nanometrycznej. Wytworzone materiały nie wykazały toksycznego wpływu na komórki (Normal Human Osteoblast), co pozwala sądzić, że otrzymane nanokompozyty mogłyby zostać wykorzystane w medycynie.

EN

Polymer nanocomposites are a wide group of materials which have applications in many branches of industry as well as in medicine. The phenomenon of nanocomposites is associated with simplicity of modification of their features, which are derived from properties of both the polymer matrix and the nanoadditive. This property enables to design and fabricate materials with strictly defined characteristics, addressed to specific needs. The aim of the presented studies was fabrication and characterization of polymer nanocomposites with magnetic properties. As a polymer matrix, a biocompatible and bioresorbable poly(ε-caprolactone) was used. Magnetite powder with nanometer-sized grain fraction was introduced into the polymer matrix as a magnetic nanoadditive. As a fabrication method casting film/solvent evaporation was applied. In order to examine how amount of magnetic nanoadditive influences the properties of nanocomposites, the series of materials with various concentrations of magnetic particles was prepared (0, 0.5, 1 and 2%). Characterization of materials included magnetic and surface properties investigations as well as evaluation of degradability, and biocompatibility of the fabricated materials. Magnetic hysteresis loops of both the nanoadditive itself and the nanocomposite demonstrate curves typical for multi-domain ferromagnetic materials. Existence of the correlation between the values of magnetic saturation and remanence, and the content of magnetic particles has been observed. Microscopic evaluations have shown that small part of magnetic particles has tendency to agglomerate but the rest remains in nanometric dispersion. For the fabricated materials no cytotoxic influence on the cells was observed (Normal Human Osteoblast). This suggests that obtained nanocomposites could find application in medicine.

Słowa kluczowe

PL

magnetyczne nanokompozyty; polimery; magnetyt; cząstki magnetyczne

EN

magnetic nanocomposites; polymer; magnetite; magnetic particles

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 17, no. 127
• Strony: 22--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 51 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Świętek M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Gwizdała J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Tokarz W.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Katedra Fizyki Ciała Stałego, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Menaszek E.

• Uniwersytet Jagielloński, Wydział Farmaceutyczny Collegium Medicum, Zakład Cytobiologii, ul. Medyczna 9, 30-688 Kraków

autor

Błażewicz M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Sanchez C., Bellevile P., Popall M., Nicole L.: Applications of advanced hybrid organic-inorganic nanomaterials: from laboratory to market. Chemical Society Reviews 40 (2011) 696-753.
• [2] Cushen M., Kerry J., Morris M., Cruz-Romero M., Cummins E.: Nanotechnologies in the food industry – Recent developments, risks and regulation. Trends in Food Science & Technology 24 (2012) 30-46.
• [3] Bhushan B., Luo D., Schricker S.R., Sigmund W., Zauscher S., Handbook of Nanomaterials Properties. Berlin: Springer-Verlag 2014
• [4] Trahms L., Biomedical Applications of Magnetic Nanoparticles Lect. Notes Phys. 763 (2009) 327-358.
• [5] Lou L., You K., Zhang Z.,Li B., Zhu J., Wang Y., Huang R., Zhu Z.: Functionalized magnetic-fluorescent hybrid nanoparticles for cell labeling. Nanoscale 3 (2011) 2315-2323.
• [6] Liu J., Wang L., Cao J., Huang Y., Lin Y., Wu X., Wang Z., Zhang F., Xu X., Lu G.: Functional investigations on embryonic stem cells labeled with clinically translatable iron oxide nanoparticles. Nanoscale 6 (2014) 9025-9033.
• [7] Cui Y-R., Hong C., Zhou Y-L., Li Y., Gao X-M., Zhang X-X.: Synthesis of orientedlybioconjugated core/shell Fe3O4@Au magnetic nanoparticles for cell separation. Talanta 85 (2011) 1246-1252.
• [8] He J., Huang M., Wang D., Zhang Z., Li G.: Magnetic separation techniques in a sample preparation for biological analysis: A review. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis (2014) In press
• [9] Sharifi I., Shokrollahi H., Amiri S.: Ferrite-based magnetic nanofluids used in hyperthermia applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 324 (2012) 903-915.
• [10] Laurent S. Dutz S., Häfeli U. O., Mahmoudi M.: Magnetic fluid hyperthermia: Focus on superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Advanced in Colloid and Interface Science 166 (2011) 8-23.
• [11] Sun C., Lee J. S.H., Zhang M.: Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews 60 (2008) 1252-1265.
• [12] Chomoucka J., Drbohlavova J., Huska D., Adam V., Kizek R., Hubalek J.: Magnetic particles and targeted drug delivering. Pharmacological Research 62 (2010) 144-149.
• [13] Mangual J.O., Avilés M.O., Ebner A.D., Ritter J.A.: In vitro study of magnetic nanoparticles as the implant for implant assisted magnetic drug targeting. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 323 (2011) 1903-1908.
• [14] Singh R.K., Patel K.D., Lee J.H., Lee E-J., Kim J-H., Kim T-H., Kim H-W.: Potential of Magnetic Nanofiber Scaffolds with Mechanical and Biological Properties Applicable for Bone Regeneration. PLoS ONE 9 (4): e91584.
• [15] Panseri S., Cunha C., D’Alessandro T., Sandri M., Russo A., Giavaresi G., Marcacci M., Hung C.T., Tampieri A.: Magnetic Hydroxyapatite Bone Substitutes to Enhance Tissue Regeneration: Evaluation In Vitro Using Osteoblast-Like Cells and In Vivo in a Bone Defect. PLoS ONE 7 (6): e38710.
• [16] Bock N., Riminucci A., Dionigi C., Russo A., Tampieri A., Landi E., Goranov V.A., Marcacci M., Dediu V.: A novel route in bone tissue engineering: Magnetic biomimetic scaffolds. ActaBiomaterialia 6 (2010) 786-796.
• [17] Meng J., Xiao B., Zhang Y., Liu J., Xue H., Lei J., Kong H., Huang Y., Jin Z., Gu N., Xu H.: Super-paramagnetic responsive nanofibrous scaffolds under static magnetic field enhance osteogenesis for bone repair in vivo. Scientific Reports 3: 2655.
• [18] Daar A.S., Greenwood H.L.: A proposed definition of regenerative medicine. Journal of tissue engineering and regenerative medicine 1 (2007) 179-184.
• [19] Hutmacher D.W.: Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials 21 (2000) 2529-2543.
• [20] Mitra J., Tripathi G., Sharma A., Basu B.: Scaffolds for bone tissue engineering: role of surface patterning on osteoblast response. RSC Advances 3 (2013) 11073-11094.
• [21] Eglin D., Mortisen D., Alini M.: Degradation of synthetic polymeric scaffolds for bone and cartilage tissue repairs. Soft Matter 5 (2009) 938-947.
• [22] Yu X., Xia Z., Wang L., Peng F., Jiang X., Huang J., Rowe D., Wei M.: Controlling the structural organization of regenerated bone by tailoring tissue engineering scaffold architecture. Journal of Materials Chemistry 22 (2012) 9721-9730.
• [23] Bongio M., van der Beucken J.J.P., Leeuwenburgh S.C.G., Jansen J.A.: Development of bone substitute materials: from ‘biocompatible’ to ‘instructive’. Journal of Materials Chemistry 20 (2010) 8747-8759.
• [24] Barradas A.M.C., Yuan H., van Blitterswijk C.A., Habibovic P.: Osteoinductive biomaterials: current knowledge of properties experimental models and biological mechanism. European Cells and Materials 21 (2011) 407-429.
• [25] Albrekstsson T., Johansson C.: Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration. European Spine Journal 10 (2001) 96-101.
• [26] Xu H.-Y., Gu N.: Magnetic responsive scaffolds and magnetic fields in bone repair and regeneration. Frontiers of Materials Science 8 (2014) 20-31.
• [27] Kotani H., Kawaguchi H., Shimoaka T., Iwasaka M., Ueno S., Ozawa H., Nakamura K., Hoshi K.: Strong Static Magnetic Field Stimulates Bone Formation to a Definite Orientation In Vitro and In Vivo. Journal of bone and mineral research 17 (2002) 1814-1821.
• [28] Gloria A., Russo T., D’Amora U., Zeppetelli S., D’Alessando T., Sandri M., Bañobre-López M., Piñeiro-Redondo Y., Uhlarz M., Tampieri A., Rivas J., Herrmannsdörfer T., Dediu V.A., Ambrosio L., De Santis R.: Magnetic poly(ε-caprolactone)/iron-doped hydroxyapatite nanocompositesubstrated for advanced bone tissue engineering. Interface 10 (2013), 20120833.
• [29] De Santis R., Gloria A., Russo T., D’Amora U., Zeppetelli S., Dionigi C., Sytcheva A., Herrmannsdörfer T., Dediu V., Ambrosio L.: A Basic Approach Toward the Development of Nanocomposite Magnetic Scaffolds for Advanced Bone Tissue Engineering. Journal of Applied Polymer Science 122 (2011) 3599-3605.
• [30] Kannarkat J.T., Battogtokh J., Philip J., Wilson O. C., Mehl P. M.: Embedding of magnetic nanoparticles in polycaprolactonenanofiber scaffolds to facilitate bone healing and regeneration: Journal of Applied Physics 107 09B307 (2010).
• [31] Kim J.-J., Singh R. K., Seo S.-J., Kim T.-H., Kim J.-H., Lee E.-J., Kim H.-W., Magnetic scaffolds of polycaprolactone with functionalized magnetite nanoparticles: physicochemical, mechanical, and biological properties effective for bone regeneration. RSC Advances 4 (2014) 17325-17336.
• [32] Figuerola A., Di Corato R., Manna L., Pellegrino T.: From iron oxide nanoparticles towards advanced iron-based inorganic materials designed for biomedical application. Pharmacological Research 62 (2010) 126-143.
• [33] Yang J., Park S.-B., Yoon H.-G., Huh Y.-M., Hamm S.: Preparation of poly ε-caprolactone nanoparticles containing magnetite for magnetic drug carrier. International Journal of Pharmaceutics 324 (2006) 185-190.
• [34] Dash T. K., BadireenathKonkimalla V.: Poly-ε-caprolactonebased formulations for drugs delivery and tissue engineering: A review. Journal of Controlled Release 158 (2012) 15-33.
• [35] Hamoudeh M., Fessi H.: Preparation, characterization and surface study of poly-epsilon caprolactone magnetic microparticles. Journal of Colloid and Interface Science 300 (2006) 584-590.
• [36] Świętek M., Tokarz W., Tarasiuk J., Wroński S., Błażewicz M.: Magnetic Polymer Nanocomposite for Medical Applications. ActaPhysicaPolonica A 125 (2014) 891-894.
• [37] Woodruff M. A., Hutmacher D. W.: The return of a forgotten polymer – Polycaprolactone in the 21st century. Progress in Polymer Science 35 (2010) 1217-1256.
• [38] Dash T.K., Konkimalla V. B.: Poly-ε-caprolatone based formulations for drug delivery and tissue engineering: A review. Journal of ControlledRelease 158 (2012) 15-33.
• [39] Nowicka K.: Badania polimerowych kompozytów magnetycznych dla potrzeb inżynierii biomedyczynej: rozprawa doktorska. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów (2012) Kraków.
• [40] Wu W., He Q., Jiang C.: Magnetic Iron Oxide Nanoparticles: Synthesis and Surface Functionalization Strategies. Nanoscale Research Letters 3 (2008) 397-415.
• [41] Nowicka K., Figiel H., Błażewicz M.: Preparation and characterization of polysulfone/magnetite nanocomposites – Polychar 19: World Forum on Advanced Materials: 2011, Nepal: book of abstracts – p. 232.
• [42] Nowicka K. Figiel H., Tokarz W., Sołtysiak E., Błażewicz M.: Nanokompozyty magnetyczne dla zastosowań biomedycznych – Magneticnanocomposite for medicalapplications, Przetwórstwo Tworzyw; ISSN 1429-0472. – 1 (2013) 27-31.
• [41] Chen H.-L., Li L.-J., Ou-Yang W.-C., Hwang J. C., Wong W.-Y.: Spherulitic crystalization behaviour of poly(ε-caprolactone) with a wide range of molecular weight. Macromolecules 30 (1997) 1718-1722.
• [42] Tang Z. G., Black R. A., Curran J. M., Hunt J. A., Rhodes N. P., Williams D. F.: Surface properties and biocompatibility of solvent--cast poly[ε-caprolactone] films. Biomaterials 25 (2004) 4741-4748.
• [43] Wang G-s., Wang L., Wei Z.-y., Sang L., Dong X.-f., Qi M., Chen G., Chang Y., Zhang W-x.: Synthesis and characterization of poly(ε-caprolactone)/Fe3O4 nanocomposites by in situ polimeriation. Chinese Journal of Polymer Science 31 (2013) 1011-1021.
• [44] Wang G-s., Wei Z-y., Sang L., Chen G-y., Zhang W-x., Dong X-f., Qi M.: Morphology, crystallization ande mechanical properties of poly(ε-caprolactone)/graphene oxide nanocomposites. Chinese Journal of Polymer Science 31 (2013) 1148-1160.
• [45] Hallab N. J., Bundy K. J., O’Connor K., Moses R. L., Jacobs J. J.: Evaluation of Metallic and Polymeric Biomaterial Surface Energy and Surface Roughness Characteristics for Directed Cell Adhesion. Tissue Engineering 7 (2001) 55-71.
• [46] Kubies D., Himmlová L., Riedel T., Chánová E., Balík K., Douděrová M., et al.: The Interaction of Osteoblast With Bone-Implant Materials: 1. The Effect of Physciochemical Surface Properties of Implant Materials. Physiological Research 60 (2011) 95-111.
• [47] Noro A., Kaneko M., Murata I., Yoshinari M.: Influence of surface topography and surface physicochemistry on wettability of zircona (tetragonal zirconapolycrystal). Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 2012:00B:000-000.
• [48] Goya G. F., Berquó T. S., Fonseca F. C.: Static and dynamic magnetic properties of spherical magnetite nanoparticles. Journal of Applied Physics 94 (2003) 3520-3528.
• [49] Nishio K., Ikeda M., Gokon N., Tsubouchi S., Narimatsu H., Mochizuki Y., Sakamoto S., et al.: Preparation of size-controlled (30-100 nm) magnetite nanoparticles for biomedical applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 310 (2007) 2408-2410.
• [50] Shen L., Qiao Y., Guo Y., Men S., Yang G., Wu M., Zhao J.: Facile co-precipitation synthesis of shape-controlled magnetite nanoparticles. Ceramicsinternational 40 (014) 1519-1524.
• [51] Pękała M.: Eksperymentalne metody magnetochemii. Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, 2013. ISBN: 978-83-235-1044-4.

Uwagi

PL

Praca została zrealizowana w ramach prac statutowych nr 11.11.160.616 Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH Akademii Górniczo-Hutniczej.