Centrum Bio-nanomateriałów

Centrum Bio-nanomateriałów (CB) jest wspólną inicjatywą trzech jednostek naukowych:

1. Instytutu Wysokich Ciśnień PAN (IWC)
2. Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN (IPPT)
3. Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej (WIM)

Każda z instytucji odpowiedzialna jest za stworzenie jednego laboratorium:

1. IWC - Laboratorium Nanostrukur dla Fotoniki i Medycyny,
2. IPPT - Laboratorium Modelowania i Obrazowania w Biomechanice,
3. WIM - Laboratorium Wytwarzania i Charakteryzowania Biomateriałów

Centrum Bio-nanomateriałów będzie interdyscyplinarnym ośrodkiem, w którym kompetencje z zakresu materiałów, nano-materiałów, mechaniki, biofizyki i biochemii, zostaną skrzyżowane z obecnymi na miejscu silnymi kompetencjami z zakresu medycyny doświadczalnej, biomedycyny, biotechnologii i chemii molekularnej. Poniższy schemat prezentuje wzajemne powiązania funkcjonalne laboratoriów CB.
Wiodącym wspólnym projektem 3 jednostek będzie opracowanie nanohydroksyapatytu o specjalnej budowie chemicznej i nanostrukturze, służący jako promotor wzrostu tkanki kostnej. Techniki ciśnieniowej syntezy pozwalają otrzymać materiał, który wg najnowszych doniesień ulega resorpcji w organizmie dostarczając budulca dla wzrostu kości. W IPPT PAN przeprowadzone zostaną symulacje komputerowe tego procesu, w WIM PW zostaną przeprowadzone wszechstronne badania strukturalne i mechaniczne, a we współpracy z WUM - testy przedkliniczne.

Schemat: Współpraca pomiędzy laboratoriami CB

W Laboratorium Nanostrukur dla Fotoniki i Medycyny wytwarzane będą nanocząsteczki III generacji, czyli nanostruktury pozwalające na identyfikację patogenów oraz ich unieszkodliwienie. Wytwarzane również będą nanocząstki o działaniu antybakteryjnym oraz funkcjonalne implanty.
Program badawczy laboratorium jest zgodny ze strategią badawczą Europejskiej Platformy Technologicznej Nanomedycyny oraz Polskiej Platformy Nanotechnologii. European Nanomedicine Platform wyznaczyła 3 strategiczne kierunki badawcze: diagnostyka oparta o nanofotonikę, medycyna regeneracyjna i celowane dostarczanie leków.
Główny kierunek badań laboratorium to zastosowanie nanocząstek III generacji dla realizacji powyższych celów. Nanocząstki III generacji to nanostruktury składające się z nanoczastek służących jako struktura nośna, nanometrowej grubości warstw powierzchniowych oraz molekuł lub pierwiastków nadających strukturze wymagane funkcje. Cząsteczki takie można pokryć odpowiednimi molekułami które przyłączają się do określonych białek. Zastosowania: biosensory, biomarkery, składniki w regeneracji tkanek, przede wszystkim kostnych, scyntylatory dla diagnostyki medycznej. znakowanie przedmiotów, biomateriałów, leków. Działanie antybakteryjne i antygrzybicze.
W ramach badań przedklinicznych, zgodnie z główną linią programową CePT, testowane będą nanocząstki jako markery 'in-vitro". Odpowiednia kompozycja nanocząstek może łączyć różne funkcje: magnetyczne, optyczne, elektryczne. Może też być stosowana do znakowania poszczególnych tkanek lub substancji w ten sposób, aby były one rozróżnialne i nie podlegały fałszowaniu, jak wiele lekarstw.
Laboratorium będzie centrum produkcji doświadczalnej nanostruktur, specjalizującym się w domieszkowaniu, funkcjonalizacji oraz komponowaniu z nich materiałów.
Niniejszy program badawczy spowoduje integrację 3 strategicznych kierunków badań Instytutu Wysokich Ciśnień PAN: optoelektroniki ze znacznym udziałem fotoniki, nanotechnologii i biochemii. Trzy zespoły badawcze będą wspierać się wzajemnie, a skutki działań będą miały zwielokrotniony wpływ na społeczeństwo i gospodarkę przez wzmocnienie współpracy z partnerami CePT, szczególnie Wydziałem Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, Instytutem Podstawowych Problemów Techniki PAN, Akademią Medyczną, Wydziałem Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Do współpracy w ramach osobnych umów będzie też zaproszony Instytut Fizyki PAN.

W Laboratorium Modelowania i Obrazowania w Biomechanice zlokalizowanym w IPPT będą prowadzone badania dotyczące wykorzystania ultradźwięków w obrazowej diagnostyce medycznej z uwzględnieniem kontrastów i cieplnych efektów terapeutycznych związanych z wydzielaniem ciepła i kawitacją, modelowania i badania procesów i zmian w strukturach tkankowych wywołanych interakcją z biomateriałami i oddziaływaniem czynników fizycznych / mechanicznych oraz wykorzystania nanowłókien w systemach zlokalizowanego uwalniania leków.
Mikroskopia akustyczna umożliwia badania komórek, zarówno żywych jak i utrwalonych. Obrazy otrzymane za pomocą fal mechanicznych pozwalają na śledzenie procesów związanych z motoryką komórek oraz na badanie kondycji komórek i ich reakcji na bodźce zewnętrzne. Umożliwiają zarówno prowadzenie badań podstawowych z biologii komórki jak i testowanie wpływu ośrodków farmakologicznych na żywe organizmy. Metody mikroskopii akustycznej pozwalają również na wyznaczanie własności mechanicznych komórek i tkanek. Do celów terapeutycznych fale ultradźwiękowe są wykorzystywane w różnych dziedzinach medycyny. Zakres leczniczych efektów biologicznych wywoływanych oddziaływaniem fal ultradźwiękowych zależy przede wszystkim od stosowanego poziomu ekspozycji. Podstawowym celem zespołu pracowników naukowych IPPT w zakresie terapeutycznych zastosowań ultradźwięków będzie przeprowadzenie badań i opracowanie optymalnych warunków pracy źródła, określanych jego częstotliwością, natężeniem wiązki oraz czasem ekspozycji, które zapewnią maksymalną skuteczność leczenia dla poszczególnych zastosowań terapeutycznych.
Opracowanie zminiaturyzowanej wersji systemu do analizy kwasów nukleinowych z zastosowaniem mikrosystemów typu LOC będzie polegało na budowie mikrokanałów oraz opracowaniu warunków elektroforezy kwasów nukleinowych w zminiaturyzowanej geometrii. Urządzenie to pozwoli na przyspieszenie oraz automatyzację procesu elektroforezy kwasów nukleinowych w celu wykrywania zmian punktowych w sekwencji DNA. Projekt pozwoli na zbudowanie zintegrowanego systemu mikro przepływowego do analizy DNA. Główne zadania projektu to identyfikacja parametrów fizyko-chemicznych umożliwiających kontrolowanie procesu migracji nitki DNA w systemie kanałów o wymiarach rzędu milimetrów i ich optymalizacja celem przyspieszenia tego procesu, przy utrzymaniu jego wysokiej powtarzalności oraz opracowanie metod optycznej detekcji położenia nitki DNA w kanale metodą fluorescencji. Przeprowadzone badania mają na celu wybór barwników fluorescencyjnych i systemu oświetleniowego (diody LED) tak, by pozwoliło to w przyszłości na zintegrowanie całości na jednej kostce silikonowej układu LOC.
Opracowanie systemu kontrolowanego wydzielania substancji leczniczych z polimerów biodegradowalnych, wprowadzania do badanych struktur biologicznych mikrosond opartych na nanowłóknach oraz stworzenie bio-szkieletów do regeneracji tkanek ma na celu stworzenie nowej metody wytwarzania wyjściowych materiałów, których badanie i zastosowanie jest końcowym celem programu badawczego. Równolegle będą prowadzone prace na wykorzystaniem nanowłókien białkowych jako dwuwymiarowych sond do detekcji defektów membranowych komórek.. Istotną częścią projektu będzie otrzymanie systemów uwalniania leków z polimerów biodegradowalnych otrzymywanych w procesie technologicznym elektroprzędzenia. Ich zaletą jest duża przepuszczalność dla gazów i płynów ustrojowych. Nanowłókniny wykazują również wszystkie zalety uwalniania leków typowe dla nanocząstek (jak wydzielanie DNA do komórek). Celem projektu będzie stworzenie metodyki regeneracji tkanek kostnych (implanty) i tkanek skóry (oparzenia, ubytki).
Prowadzone będą również badania procesów zachodzących w tkance kostnej, na skutek oddziaływań z biomateriałami i różnymi sygnałami fizycznymi, oparte na hodowlach tkankowych oraz (we współpracy z innymi instytutami) na eksperymentach na zwierzętach. Badania doświadczalne będą wsparte modelowaniem matematycznym i symulacjami komputerowymi procesów zachodzących na granicy tkanka-biomateriał. W szczególności duży nacisk skieruje się na uwzględnienie równoczesnych procesów bioresorpcji i biodegradacji biomateriaów oraz syntezy i resorpcji tkanki i związanej z tym przebudowy jej mikrostruktury. Wyniki badań doświadczalnych i opracowanie modeli matematycznych i komputerowych umożliwią projektowanie ulepszonych biomateriałów oraz implantów na potrzeby ortopedii.
Istotnym problemem w oddziaływaniach pomiędzy tkankami i biomateriałami jest wpływ własności mechanicznych biomateriałów, struktury powierzchni kontaktującej się z tkanką oraz mikrostruktury samego biomateriału (np. scaffoldy i materiały kościo-zastępcze) na procesy zachodzące w tkance. Planowane są badania na potrzeby implantologii i hodowli komórkowych interakcji biomateriałów z komórkami kości i chrząstki i wpływu parametrów opisujących topologiczne i mechaniczne charakterystyki takich materiałów na procesy formowania, gojenia i przebudowy tkanki.
Stan mechaniczny w tkance kostnej jest jednym z głównych czynników stymulujących procesy gojenia i przebudowy. Eksperymentalne i teoretyczne badanie wpływu różnych sygnałów mechanicznych jak i innych oddziaływań fizycznych na wspomniane procesy oraz opracowanie adekwatnych modeli matematycznych i komputerowych ma w przyszłości doprowadzić do opracowania ulepszonych terapii medycznych oraz inteligentnych materiałów trzeciej generacji zwiększających kościotwórczą aktywność komórek.

W Laboratorium Wytwarzania i Charakteryzowania Biomateriałów wytwarzane będą głównie podłoża dla wzrostu tkanek, przede wszystkim tkanki kostnej. Głównym celem jest opracowanie i wdrożenie do praktyki medycznej nowej generacji lub ulepszonych biomateriałów, które mogą być stosowane na implanty oraz produkty inżynierii tkankowej stosowane w celu leczenia uszkodzeń i schorzeń układu szkieletowo-mięśniowego.

Program badań obejmuje przede wszystkim:

1. W zakresie badań materiałowych stosowanych:
1. Badania nad nowymi, funkcjonalnymi, kompozytowymi biomateriałami implantacyjnymi, które poprzez swoją złożoną strukturę i właściwości fizyko-chemiczne upodobniają się do materiałów biologicznych
2. Badania nad nowymi materiałami biodegradowalnymi o zwiększonej wytrzymałości na resorbowalne implanty kostne i implanty kręgosłupa
3. Opracowanie standardów w zakresie charakteryzowania biomateriałów na implanty/skafoldy resorbowalne.
2. W zakresie inżynierii tkankowej:
1. Badania nad opracowaniem nowych konstrukcji nośnych dla komórek (skafoldów) o złożonej kontrolowanej nano- i mikro- strukturze oraz właściwościach fizyko-chemiczych, które pozwolą na formowanie się nowej tkanki chrzęstnej z wyizolowanych komórek,
2. Badania nad modyfikacją skafoldów w celu kontrolowania adhezji, przemieszczania namnażania, i różnicowania się komórek oraz formowania się pozakomórkowej osnowy,
3. Projektowanie platform uwalniających czynniki wzrostu w celu wspomagania procesu formowania się nowej tkanki chrzęstnej;
3. W zakresie modelowania systemów biologicznych:
1. Opracowanie modeli materiałowych zarówno biomateriałów inżynierskich jak i biologicznych tkanek
2. Modelowanie układów implant-tkanka
3. Modelowanie procesów zachodzących na poziomie komórkowy
4. Projektowanie nowych materiałów między innymi na rusztowania tkankowe oraz do uwalania leków.
5. Symulacji przedklinicznej zachowania się opracowanych systemów inżynierskich w organizmie człowieka.

Wymiernym efektem programów badawczych Centrum Bio-nanomateriałów będzie rozwój wiedzy o biomateriałach i produktach inżynierii tkankowej. Ponadto zostaną opracowane przesłanki technologiczne do otrzymywania nowej generacji materiałów oraz implantów do rekonstrukcji i regeneracji tkanek. Nowe innowacyjne rozwiązania materiałowo-technologiczne będą zastrzeżone patentami. Udział w różnego szczeblu spotkaniach specjalistów z wymienionego zakresu, jak również nawiązanie współpracy z jednostkami zainteresowanymi biomateriałami pozwoli na szerokie upowszechnienie uzyskanych wyników i umożliwi przekazywanie ich na zewnątrz w postaci "know-how" i licencji.
Najważniejszym jednak wynikiem będą prototypy biomateriałów i produktów medycznych, które będą mogły być stosowane zarówno w leczeniu i zapobieganiu schorzeniom, poprawiając tym samym komfort życia ludzkiego, a wręcz często je wydłużając.