Vědecký tým z Fyzikálního ústavu AV ČR pod vedením Hany Lísalové z Laboratoře funkčních biorozhraní (LFB) Sekce optiky vyvinul nový polymerní nanopovlak. Ten dokáže účinně zabránit usazování proteinů a bakterií na povrchu biomateriálů a současně podporuje žádoucí reakce imunitních buněk i růst buněk kostních. Výzkum vznikl díky velkému nasazení doktorandky Aliny Šleichertové z LFB, která v rámci mobilitních aktivit iniciovala spolupráci se špičkovým týmem Erika Reimhulta z rakouské BOKU University. Výsledky této spolupráce byly publikovány v prestižním časopise ACS Applied Materials & Interfaces.
Nově vyvinutý terpolymer kombinuje tři stavební jednotky: zwitteriontový CBMAA, který díky reaktivním karboxylovým skupinám umožňuje navázání bioaktivních molekul, zwitteriontový SBMAA pro stabilní vyvážení povrchového náboje a neiontový, silně hydrofilní HPMAA, jenž zajišťuje vysokou hydrataci vrstvy. Díky této kombinaci lze povrch ladit mezi maximálním odpuzováním nežádoucích proteinů a bakterií a cílenou podporou uchycení (a růstu) vybraných buněk.
„Naším cílem bylo navrhnout povrch, který bude fungovat nejen jako pasivní ochranný štít, ale zároveň bude aktivně spolupracovat s biologickým prostředím,“ vysvětluje Hana Lísalová, vedoucí Laboratoře funkčních biorozhraní a dodává: „ukazuje se, že správně zvolená kombinace polymerních složek dokáže výrazně omezit usazování proteinů a bakterií, aniž by bránila přirozeným buněčným procesům.“
Optimalizované složení povlaku umožnilo snížit adsorpci proteinů až o 98 % i v prostředí bohatém na sérové proteiny a současně potlačilo přilnavost běžných patogenních bakterií o více než 99 %. Díky tomu se značně snižuje riziko vzniku bakteriálních biofilmů, které jsou častou příčinou nesprávné funkce biomateriálů a zdravotnických prostředků.
Zároveň se ukázalo, že povrch s tímto polymerním kartáčem pozitivně ovlivňuje chování makrofágů, tedy důležitých buněk imunitního systému. Ty zůstávají na povrchu pohyblivé a efektivně pohlcují bakterie, aniž by se k materiálu nadměrně přichytávaly a spouštěly nežádoucí zánětlivou reakci.
Další výhodou povlaku je jeho funkční přizpůsobitelnost. Pomocí následné chemické úpravy lze do polymerní vrstvy navázat bioaktivní molekuly, například RGD peptidy, které podporují přilnavost a množení osteoblastů – buněk klíčových pro tvorbu kostní tkáně. Povlak tak může být využit jak pro dočasné zdravotnické pomůcky, kde je žádoucí minimální buněčná interakce, tak pro trvalé implantáty vyžadující pevné spojení s tkání.
„Tento výzkum je ukázkovým příkladem toho, jak lze propojit fyzikální a chemické principy s reálnými biomedicínskými aplikacemi,“ doplňuje Alexandr Dejneka, vedoucí Sekce optiky FZU AV ČR. „Schopnost cíleně řídit interakce na rozhraní materiálu a biologického prostředí je zásadní nejen pro vývoj biomateriálů, ale i pro biosenzory a další optické systémy, kde je dlouhodobá stabilita povrchu klíčová,“ dodává.
Výzkum ukazuje, že pečlivě navržené polymerní nanovrstvy mohou spojit zdánlivě protichůdné vlastnosti, a to jak silnou antifoulingovou ochranu, tak i podporu biologicky žádoucích procesů. Takové materiály mají potenciál zásadně přispět k vývoji bezpečnějších a funkčnějších implantátů i dalších biomedicínských zařízení.
Studie byla realizována díky výzkumným stážím v rámci programu FZU Researchers, Technical and Administrative Staff Mobility a s podporou stipendia Ernsta Macha, které umožnily cílené propojení experimentálních přístupů obou institucí – Fyzikálního ústavu AV ČR a vídeňské BOKU University. Její vznik byl podpořen také z projektu SENDISO v rámci Operačního programu Jan Ámos Komenský.