Polimery – od algorytmu do spersonalizowanej terapii medycznej

Biodegradowalny implant, który najpierw wspomaga leczenie, a później znika z organizmu. Specjalny, wielowarstwowy opatrunek, który nie tylko osłania ranę, ale uwalnia również substancje lecznicze, przyspieszając gojenie. Rusztowanie tkankowe, które pozwala na regenerację skóry po poparzeniu, a następnie znika. A to wszystko dzięki specjalnie zaprojektowanym właściwościom polimerów, które bada zespół naukowców z Wydziału Chemicznego pod kierownictwem dr hab. inż. Justyny Kucińskiej-Lipki, profesor uczelni.

Terapia celowana, podczas której nie łykamy tabletek i nie obciążamy naszej wątroby, a lek trafia bezpośrednio tam, gdzie jego działanie jest potrzebne, to szansa na znacznie skuteczniejszą i bezpieczniejszą kurację dla pacjenta. W wielu wypadkach rozwiązaniem mogą być polimery – syntetyczne, bądź naturalne, biodegradowalne, czy też biostabilne materiały o szerokim spektrum właściwości.

Polimery mogą być stosowane w wielu dziedzinach medycyny: chirurgii, kardiologii, laryngologii czy stomatologii. Jednak w zależności od zastosowania, mogą mieć one zupełnie inne właściwości. Dr hab. inż. Justyna Kucińska-Lipka, prof. uczelni z Wydziału Chemicznego wraz ze swoim zespołem prowadzi badania nad projektowaniem nowych biomateriałów, które są bezpieczne dla organizmów. Materiały te są w wielu wypadkach biodegradowalne i zdolne, w określonym czasie, uwalniać substancje aktywne wspomagające leczenie precyzyjnie w miejscu ich wszczepienia.

– Projektujemy, modelujemy i badamy polimery o bardzo różnych właściwościach, które są dostosowane do różnych potrzeb – tłumaczy badaczka. – Na przykład implant ubytku kostnego musi być materiałem biodegradowalnym, rozkładać się w organizmie w określonym czasie, wprost proporcjonalnie do wypełniania się ubytku kostnego. Zupełnie inne właściwości musi posiadać implant biodra, który nie może ulec degradacji – jest on stworzony z materiału biostabilnego. Przy obu implantach chcemy jednak wspomóc proces leczenia, nie tylko mechanicznym wszczepieniem, ale również dodatkową substancją leczniczą, na przykład hydroksyapatytem. W przypadku implantu ubytku kostnego lek może wydzielać się przy okazji procesu rozpuszczania. Z kolei dla implantu stałego można zastosować leczniczą powłokę hydrożelową.

Od projektu do druku

Dobierając odpowiednie substraty oraz stosunki molowe między nimi, naukowcy uzyskują materiały o różnym czasie degradacji i bardzo szerokim wachlarzu właściwości fizykochemicznych i mechanicznych. Stosują do tego modelowanie komputerowe, ułatwiające zaprojektowanie materiału o konkretnych cechach, z którego następnie, na drukarce 3D, powstają prototypy implantów czy rusztowań tkankowych. Druk tego, co zostało zaprojektowane przez algorytm, pozwala na weryfikację zgodności właściwości teoretycznych z faktycznymi.

– Na właściwości naszego produktu wpływa nie tylko materiał, z którego jest wykonany, ale również dobór metody druku 3D – wyjaśnia dr hab. inż. Kucińska-Lipka.  – Mamy kilka rodzajów technologii druku 3D: z filamentu, granulatu, bądź żywicy poliaktydowej z wykorzystaniem światła UV. Ten sam materiał, poddany innej obróbce technologicznej, może znacząco zmienić swoje właściwości. Mamy już potwierdzone badania, że w druku z zastosowaniem filamentu, na szybkość degradacji implantu ma wpływ gęstość wypełnienia. Jeśli zastosujemy wypełnienie powyżej 58 % będzie to czas degradacji odpowiedni przy zrastaniu kości. Wypełnienie ok. 48% stosujemy w tworzeniu poliuretanowych opatrunków do trudno gojących się ran. W przypadku rusztowań stosowanych w regeneracji tkanek miękkich, wypełnienie powinno być na poziomie 25%.

Na styku chemii i medycyny

Zespół badawczy pod kierownictwem dr hab. inż. Justyny Kucińskiej-Lipki współpracuje z naukowcami Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego m.in. przy tworzeniu wielowarstwowych hybrydowych opatrunków do głębokich uszkodzeń skórnych, czy baloników do wspomagania lewej komory serca, powlekanych heparyną. Projekty te są realizowane w ramach pracy doktorskiej Pawła Szarleja przy wsparciu dr Mileny Deptuły z Zakładu Embriologii Katedry Anatomii GUMED i współfinansowane z projektu Inkubator Innowacyjności MEiN.

Trwają również prace nad implantem nosowym używanym po zabiegu korekcji krzywej przegrody nosowej, jak również implantem umieszczanym w zatoce nosowej po operacji zatok, który w ciągu 30 dni będzie wydzielał odpowiednią dawkę leków sterydowych i innych substancji leczniczych, a później ulegnie biodegradacji. Dzięki takiemu rozwiązaniu pacjent uniknie codziennej zmiany opatrunków, która jest niezwykle bolesna i wydłuża proces gojenia wrażliwych tkanek wewnątrz nosa. Projekt ten jest realizowany w ramach pracy doktorskiej Przemysława Gnatowskiego, a konsultantem ze strony GUMed-u jest prof. Andrzej Skorek z Kliniki Otolarynogologii.

– Prowadzimy jednocześnie badania we współpracy z Wydziałem Farmacji GUMed dotyczące biodruku. Pracujemy nad tworzeniem odpowiednich podkładów hydrożelowych do wysiewania komórek. Badania te są podstawą prac w ramach doktoratu Edyty Piłat. Badania prowadzone są w laboratoriach GUMedu pod kierownictwem prof. Michała Pikuły z Pracowni Inżynierii Tkankowej i Medycyny Regeneracyjnej. Biodruki hydrożelowe to przyszłość druku 3D w medycynie regeneracyjnej. Już dzisiaj można drukować fragmenty tkanek miękkich czy chrzęstnych, które wszczepione do organizmu ludzkiego podejmują funkcję taką jak naturalne tkanki.

Badania nad nowymi materiałami prowadzone są w ramach kilku projektów m.in. projektów  „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”: Radium i Palladium, w których biorą udział dyplomantki: Karolina Gwizdała, Zuzanna Cemka i Aleksandra Myślak.

Wszystkie badania prowadzone są w wyniku konkretnych zapotrzebowani ze strony lekarzy. Prowadzone przez nas projekty są zaplanowane z myślą o wdrożeniu i wykorzystaniu w leczeniu pacjentów. W badaniach materiałowych, patentowych oraz wdrożeniowych zespół jest wspierany przez dr inż. Macieja Sienkiewicza, który jest członkiem Komisji ds. innowacji PG.

– Badania nad materiałami biodegradowalnymi wciąż się poszerzają i otwierają nowe możliwości. Przynoszą też niezwykłą satysfakcję, kiedy odkrywamy właściwości danego materiału, który potem może zostać użyty w medycynie, kosmetologii czy innej branży i po prostu służyć ludziom – podkreśla dr hab. inż. Justyna Kucińska-Lipka.