Biophysical characteristics and cellular studies of polyhydroxyoctanoate (PHO) : biodegradable and biocompatible polymer for biomedical applications

thesis
dc.abstract.enGrowing interest in novel materials and shrinking supplies of fossil fuels cause that materials of natural origin are attracting more and more attention of scientists and industry. Due to their features such as biointegrity and biocompatibility, they can not only displace traditional polymers, but also find completely new applications in biomedical sciences and industry. The growing demand for this type of polymers has resulted in intensive development of research and production companies dealing with novel materials. Thanks to the completely natural origin bacterially derived polyhydroxyalkanoates polymers are promising materials to suit the above purpose. One of their characteristics is the biocompatibility with the mammalian cells. Therefore, the polymer can be used to manufacture scaffolds for tissue regeneration, starting from wound dressings constructions and ending with endo-prostheses or bone scaffolds coatings. The presented work focuses on the study of a representative medium chain length elastomeric polyhydroxyalkanoate polymer - poly(3-hydroxyoctanoate) (PHO). In order to characterize the influence of different solvents used for biomaterial preparations (solvent casting of PHO films) three solvents, namely ethyl acetate, acetone and chloroform, were used to prepare thin films. A comparison of the physicochemical features changes over time in these differently casted films was investigated against polylactide (PLA) controls - a quite deeply researched and well-known material. Tests included nanoindentation and scratch testing of the material, the obtained results were compared with AFM data. The Young Modulus values are consistent for both methods and comply with literature. Further, the work compares also the impact of PHO substratum on mammalian cells physiology and morphology with common polyacrylamide (PAM) and PLA substrates. Techniques such as double staining with fluorescent diacetate (FDA) and propidium iodide (PI) cytotoxicity assessment and long-term microscopic studies revealed high biocompatibility level of polymer and no toxic impact on Mouse Embryonic Fibroblast cells. Further research focused on cytoskeletal analysis of cells employing confocal microscopy. The received data indicates the influence of polymer on the structure and morphology of the cytoskeleton relative to the reference materials. Additionally, both the shape of the cells and the structure of actin filaments suggest a high level of cell adhesion to the substrate (compared with a glass controls). Due to the considerable commercialization potential of the PHA polymers, the author also conducted an analysis of the global biopolymer market as well as considered the application and commercialization perspectives of the PHO based final products. Current research and trends indicate that PHA are used not only in the narrow field of medical products and bioengineering but also in widely understood everyday objects such as packaging, shopping bags, electronic casings or even home furnishings and appliances. Owing to their chemical structure, PHAs can be subjected to simple modifications that can change both their biological and chemical properties, as well as their physical properties such as hydrophobicity or hardness. These features make polyhydroxyalkanoates versatile polymers, which applications and commercial use can be dictated by the needs of the market and not by limitations posed by the material itself. Thanks to employment of advanced research methods like nanoindentation, high resolution confocal microscopy combined with complex data analysis it was possible not only to precisely elucidate physical properties of material, but also its impact on living mammalian cells. The obtained results indicate that PHO can map the mechanical properties of popular polymers such as polyethylene (PE) or polystyrene (PS) at the same time presenting full biocompatibility with living cells. A quantitative analysis was also applied to determine that PHO exerts impact on both cells' morphology, cytoskeleton architecture and migration velocity.pl
dc.abstract.plRosnące zainteresowanie nowymi materiałami i kurczące się zasoby paliw kopalnych powodują, że materiały pochodzenia naturalnego przyciągają coraz więcej zainteresowania zarówno naukowców jak i przemysłu. Dzięki swoim właściwościom, takim jak biodegradowalność i biokompatybilność, mogą one nie tylko zastąpić tradycyjne polimery, ale także znaleźć zupełnie nowe zastosowania w naukach biomedycznych i medycynie. Rosnące zapotrzebowanie na tego typu polimery spowodowało intensywny rozwój firm badawczych i produkcyjnych zajmujących się nowymi materiałami. Dzięki całkowicie naturalnym pochodzącym od bakterii polihydroksyalkanianianom (PHA) polimery z nich wykonane są obiecującymi materiałami spełniającymi oczekiwania stawiane im przez dzisiejszy przemysł, medycynę oraz wpisują się w światowe trendy ochrony środowiska i redukcji emisji gazów cieplarnianych. Jedną z cech polihydroksyalkanianów jest ich biokompatybilność z komórkami ssaków. Dlatego polimer ten można stosować do wytwarzania produktów medycznych służących regeneracji tkanek, poczynając od konstrukcji opatrunków na rany a kończąc na endo-protezach lub rusztowaniach wspomagających regenerację uszkodzonej tkanki kostnej. Prezentowane w pracy badania koncentrują się na przedstawicielu średnio łańcuchowych polihydroksyalkanianów - poli(3-hydroksyoktanianie) (PHO). W celu scharakteryzowania wpływu różnych rozpuszczalników stosowanych do przygotowania biomateriału (produkcja folii PHO) do przygotowania cienkich warstw zastosowano trzy różne rozpuszczalniki, mianowicie octan etylu, aceton i chloroform. Porównanie zmian właściwości fizykochemicznych w czasie dla tych różnie prefabrykowanych filmów zostało zbadane i porównane z dobrze znanym i szeroko opisywanym w literaturze polilaktydem (PLA). Badania materiałowe obejmowały nanoindentację i testy typu "Scratch testing" polimerów. Uzyskane wyniki porównano z danymi otrzymanymi techniką AFM. Wartości modułu Younga są spójne dla obu metod i zgodne z literaturą. W pracy porównano również wpływ podłoża PHO na fizjologię i morfologię komórek ssaków (Mysich embrionalnych fibroblastów - MEF 3T3). Jako materiałów porównawczych użyto podłóż poliakryloamidowych (PAM) oraz wykonanych z PLA. Techniki, takie jak testy cytotoksyczności oparte na podwójnym barwieniu dwuctanem fluoresceiny oraz jodkiem propidyny oraz długoterminowe badania mikroskopowe wykazały wysoką biokompatybilność polimeru i brak jego negatywnego wpływu na komórki fibroblastów. Dalsze badania dotyczyły analizy cytoszkieletu komórek. Obserwacje prowadzono przy użyciu technik mikroskopii konfokalnej i fluorescencyjnej. Otrzymane dane wskazują na wyraźny wpływ rodzaju podłoża na strukturę i morfologię cytoszkieletu. Dodatkowo, zarówno kształt komórek, jak i struktura filamentów aktynowych sugerują wysoki poziom adhezji komórek do podłoża w przypadku obydwóch biopolimerów. Ze względu na duży potencjał komercjalizacyjny polimerów typu PHA, autor przeprowadził również analizę globalnego rynku biopolimerów, a także rozpatrzył perspektywy zastosowania i wdrożenia do produkcji gotowych produktów wytwarzanych z PHO. Aktualne badania i trendy wskazują, że polihydroksyalkaniany są wykorzystywane nie tylko w wąskim zakresie produktów medycznych i w bioinżynierii tkankowej, ale również w produkcji szeroko rozumianych przedmiotów codziennego użytku, takich jak opakowania, torby na zakupy, obudowy urządzeń elektronicznych czy nawet meble i sprzęt gospodarstwa domowego. Ze względu na swoją strukturę chemiczną, PHA można łatwo poddawać modyfikacjom, które mogą zmieniać zarówno ich właściwości biologiczne, chemiczne, jak i fizyczne, takie jak hydrofobowość lub twardość. Cechy te sprawiają, że możliwa jest produkcja uniwersalnych polimerów opartych na polihydroksyalkanianach, które mogą posiadać cechy dopasowane do konkretnych potrzeb rynku, a ograniczenia powodowane przez właściwości surowego materiału są mocno zredukowane. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych technik eksperymentalnych takich jak nanoindentacja, wysokorozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna i konfokalna w połączeniu ze złożoną analizą danych było możliwe nie tylko wyznaczenie właściwości fizycznych materiału ale także określenie jego wpływu na żywe komórki ssacze. Otrzymane wyniki pomiarowe wskazują, że PHO dzięki swoim właściwościom fizycznym, może zastąpić popularne obecnie na rynku tradycyjne polimery jak polietylen czy polistyren i równocześnie wykazuje pełną biozgodność z żywymi komórkami. Analiza ilościowa zastosowana w pracy pokazała, że materiał ten wywiera wpływ zarówno na morfologię komórek, kształt cytoszkieletu jak i na prędkość migracji.pl
dc.affiliationWydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej : Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiegopl
dc.contributor.advisorRajfur, Zenon - 214965 pl
dc.contributor.authorWitko, Tomasz - 108764 pl
dc.contributor.institutionJagiellonian University. Faculty of Physics, Astronomy and Applied Computer Science. Department of Molecular and Interfacial Biophysicspl
dc.contributor.reviewerBabu, Rameshpl
dc.contributor.reviewerKwiatek, Wojciech M.pl
dc.contributor.reviewerRędowicz, Maria Jolantapl
dc.date.accessioned2019-07-25T07:31:33Z
dc.date.available2019-07-25T07:31:33Z
dc.date.submitted2019-06-25pl
dc.description.additionalDostęp do publikacji jest możliwy w Archiwum UJpl
dc.description.physical192pl
dc.identifier.callnumberDokt. 2019/141pl
dc.identifier.projectROD UJ / Opl
dc.identifier.urihttps://ruj.uj.edu.pl/xmlui/handle/item/79772
dc.languageengpl
dc.placeKrakówpl
dc.rightsCopyright*
dc.rights.licencebez licencji
dc.rights.urihttp://ruj.uj.edu.pl/4dspace/License/copyright/licencja_copyright.pdf*
dc.subject.enbiopolymerspl
dc.subject.enpolyhydroxyalkanoatespl
dc.subject.enfibroblastspl
dc.subject.encytoskeletonpl
dc.subject.enconfocal microscopypl
dc.subject.plbiopolimerypl
dc.subject.plpolihydroksyalkanianypl
dc.subject.plfibroblastypl
dc.subject.plcytoszkieletpl
dc.subject.plmikroskopia konfokalnapl
dc.titleBiophysical characteristics and cellular studies of polyhydroxyoctanoate (PHO) : biodegradable and biocompatible polymer for biomedical applicationspl
dc.title.alternativeBiofizyczna charakterystyka oraz badania komórkowe polihydroksyoktanianu (PHO) : biodegradowalnego i biokompatybilnego polimeru do zastosowań biomedycznychpl
dc.typeThesispl
dspace.entity.typePublication
dc.abstract.enpl
Growing interest in novel materials and shrinking supplies of fossil fuels cause that materials of natural origin are attracting more and more attention of scientists and industry. Due to their features such as biointegrity and biocompatibility, they can not only displace traditional polymers, but also find completely new applications in biomedical sciences and industry. The growing demand for this type of polymers has resulted in intensive development of research and production companies dealing with novel materials. Thanks to the completely natural origin bacterially derived polyhydroxyalkanoates polymers are promising materials to suit the above purpose. One of their characteristics is the biocompatibility with the mammalian cells. Therefore, the polymer can be used to manufacture scaffolds for tissue regeneration, starting from wound dressings constructions and ending with endo-prostheses or bone scaffolds coatings. The presented work focuses on the study of a representative medium chain length elastomeric polyhydroxyalkanoate polymer - poly(3-hydroxyoctanoate) (PHO). In order to characterize the influence of different solvents used for biomaterial preparations (solvent casting of PHO films) three solvents, namely ethyl acetate, acetone and chloroform, were used to prepare thin films. A comparison of the physicochemical features changes over time in these differently casted films was investigated against polylactide (PLA) controls - a quite deeply researched and well-known material. Tests included nanoindentation and scratch testing of the material, the obtained results were compared with AFM data. The Young Modulus values are consistent for both methods and comply with literature. Further, the work compares also the impact of PHO substratum on mammalian cells physiology and morphology with common polyacrylamide (PAM) and PLA substrates. Techniques such as double staining with fluorescent diacetate (FDA) and propidium iodide (PI) cytotoxicity assessment and long-term microscopic studies revealed high biocompatibility level of polymer and no toxic impact on Mouse Embryonic Fibroblast cells. Further research focused on cytoskeletal analysis of cells employing confocal microscopy. The received data indicates the influence of polymer on the structure and morphology of the cytoskeleton relative to the reference materials. Additionally, both the shape of the cells and the structure of actin filaments suggest a high level of cell adhesion to the substrate (compared with a glass controls). Due to the considerable commercialization potential of the PHA polymers, the author also conducted an analysis of the global biopolymer market as well as considered the application and commercialization perspectives of the PHO based final products. Current research and trends indicate that PHA are used not only in the narrow field of medical products and bioengineering but also in widely understood everyday objects such as packaging, shopping bags, electronic casings or even home furnishings and appliances. Owing to their chemical structure, PHAs can be subjected to simple modifications that can change both their biological and chemical properties, as well as their physical properties such as hydrophobicity or hardness. These features make polyhydroxyalkanoates versatile polymers, which applications and commercial use can be dictated by the needs of the market and not by limitations posed by the material itself. Thanks to employment of advanced research methods like nanoindentation, high resolution confocal microscopy combined with complex data analysis it was possible not only to precisely elucidate physical properties of material, but also its impact on living mammalian cells. The obtained results indicate that PHO can map the mechanical properties of popular polymers such as polyethylene (PE) or polystyrene (PS) at the same time presenting full biocompatibility with living cells. A quantitative analysis was also applied to determine that PHO exerts impact on both cells' morphology, cytoskeleton architecture and migration velocity.
dc.abstract.plpl
Rosnące zainteresowanie nowymi materiałami i kurczące się zasoby paliw kopalnych powodują, że materiały pochodzenia naturalnego przyciągają coraz więcej zainteresowania zarówno naukowców jak i przemysłu. Dzięki swoim właściwościom, takim jak biodegradowalność i biokompatybilność, mogą one nie tylko zastąpić tradycyjne polimery, ale także znaleźć zupełnie nowe zastosowania w naukach biomedycznych i medycynie. Rosnące zapotrzebowanie na tego typu polimery spowodowało intensywny rozwój firm badawczych i produkcyjnych zajmujących się nowymi materiałami. Dzięki całkowicie naturalnym pochodzącym od bakterii polihydroksyalkanianianom (PHA) polimery z nich wykonane są obiecującymi materiałami spełniającymi oczekiwania stawiane im przez dzisiejszy przemysł, medycynę oraz wpisują się w światowe trendy ochrony środowiska i redukcji emisji gazów cieplarnianych. Jedną z cech polihydroksyalkanianów jest ich biokompatybilność z komórkami ssaków. Dlatego polimer ten można stosować do wytwarzania produktów medycznych służących regeneracji tkanek, poczynając od konstrukcji opatrunków na rany a kończąc na endo-protezach lub rusztowaniach wspomagających regenerację uszkodzonej tkanki kostnej. Prezentowane w pracy badania koncentrują się na przedstawicielu średnio łańcuchowych polihydroksyalkanianów - poli(3-hydroksyoktanianie) (PHO). W celu scharakteryzowania wpływu różnych rozpuszczalników stosowanych do przygotowania biomateriału (produkcja folii PHO) do przygotowania cienkich warstw zastosowano trzy różne rozpuszczalniki, mianowicie octan etylu, aceton i chloroform. Porównanie zmian właściwości fizykochemicznych w czasie dla tych różnie prefabrykowanych filmów zostało zbadane i porównane z dobrze znanym i szeroko opisywanym w literaturze polilaktydem (PLA). Badania materiałowe obejmowały nanoindentację i testy typu "Scratch testing" polimerów. Uzyskane wyniki porównano z danymi otrzymanymi techniką AFM. Wartości modułu Younga są spójne dla obu metod i zgodne z literaturą. W pracy porównano również wpływ podłoża PHO na fizjologię i morfologię komórek ssaków (Mysich embrionalnych fibroblastów - MEF 3T3). Jako materiałów porównawczych użyto podłóż poliakryloamidowych (PAM) oraz wykonanych z PLA. Techniki, takie jak testy cytotoksyczności oparte na podwójnym barwieniu dwuctanem fluoresceiny oraz jodkiem propidyny oraz długoterminowe badania mikroskopowe wykazały wysoką biokompatybilność polimeru i brak jego negatywnego wpływu na komórki fibroblastów. Dalsze badania dotyczyły analizy cytoszkieletu komórek. Obserwacje prowadzono przy użyciu technik mikroskopii konfokalnej i fluorescencyjnej. Otrzymane dane wskazują na wyraźny wpływ rodzaju podłoża na strukturę i morfologię cytoszkieletu. Dodatkowo, zarówno kształt komórek, jak i struktura filamentów aktynowych sugerują wysoki poziom adhezji komórek do podłoża w przypadku obydwóch biopolimerów. Ze względu na duży potencjał komercjalizacyjny polimerów typu PHA, autor przeprowadził również analizę globalnego rynku biopolimerów, a także rozpatrzył perspektywy zastosowania i wdrożenia do produkcji gotowych produktów wytwarzanych z PHO. Aktualne badania i trendy wskazują, że polihydroksyalkaniany są wykorzystywane nie tylko w wąskim zakresie produktów medycznych i w bioinżynierii tkankowej, ale również w produkcji szeroko rozumianych przedmiotów codziennego użytku, takich jak opakowania, torby na zakupy, obudowy urządzeń elektronicznych czy nawet meble i sprzęt gospodarstwa domowego. Ze względu na swoją strukturę chemiczną, PHA można łatwo poddawać modyfikacjom, które mogą zmieniać zarówno ich właściwości biologiczne, chemiczne, jak i fizyczne, takie jak hydrofobowość lub twardość. Cechy te sprawiają, że możliwa jest produkcja uniwersalnych polimerów opartych na polihydroksyalkanianach, które mogą posiadać cechy dopasowane do konkretnych potrzeb rynku, a ograniczenia powodowane przez właściwości surowego materiału są mocno zredukowane. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych technik eksperymentalnych takich jak nanoindentacja, wysokorozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna i konfokalna w połączeniu ze złożoną analizą danych było możliwe nie tylko wyznaczenie właściwości fizycznych materiału ale także określenie jego wpływu na żywe komórki ssacze. Otrzymane wyniki pomiarowe wskazują, że PHO dzięki swoim właściwościom fizycznym, może zastąpić popularne obecnie na rynku tradycyjne polimery jak polietylen czy polistyren i równocześnie wykazuje pełną biozgodność z żywymi komórkami. Analiza ilościowa zastosowana w pracy pokazała, że materiał ten wywiera wpływ zarówno na morfologię komórek, kształt cytoszkieletu jak i na prędkość migracji.
dc.affiliationpl
Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej : Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego
dc.contributor.advisorpl
Rajfur, Zenon - 214965
dc.contributor.authorpl
Witko, Tomasz - 108764
dc.contributor.institutionpl
Jagiellonian University. Faculty of Physics, Astronomy and Applied Computer Science. Department of Molecular and Interfacial Biophysics
dc.contributor.reviewerpl
Babu, Ramesh
dc.contributor.reviewerpl
Kwiatek, Wojciech M.
dc.contributor.reviewerpl
Rędowicz, Maria Jolanta
dc.date.accessioned
2019-07-25T07:31:33Z
dc.date.available
2019-07-25T07:31:33Z
dc.date.submittedpl
2019-06-25
dc.description.additionalpl
Dostęp do publikacji jest możliwy w Archiwum UJ
dc.description.physicalpl
192
dc.identifier.callnumberpl
Dokt. 2019/141
dc.identifier.projectpl
ROD UJ / O
dc.identifier.uri
https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/handle/item/79772
dc.languagepl
eng
dc.placepl
Kraków
dc.rights*
Copyright
dc.rights.licence
bez licencji
dc.rights.uri*
http://ruj.uj.edu.pl/4dspace/License/copyright/licencja_copyright.pdf
dc.subject.enpl
biopolymers
dc.subject.enpl
polyhydroxyalkanoates
dc.subject.enpl
fibroblasts
dc.subject.enpl
cytoskeleton
dc.subject.enpl
confocal microscopy
dc.subject.plpl
biopolimery
dc.subject.plpl
polihydroksyalkaniany
dc.subject.plpl
fibroblasty
dc.subject.plpl
cytoszkielet
dc.subject.plpl
mikroskopia konfokalna
dc.titlepl
Biophysical characteristics and cellular studies of polyhydroxyoctanoate (PHO) : biodegradable and biocompatible polymer for biomedical applications
dc.title.alternativepl
Biofizyczna charakterystyka oraz badania komórkowe polihydroksyoktanianu (PHO) : biodegradowalnego i biokompatybilnego polimeru do zastosowań biomedycznych
dc.typepl
Thesis
dspace.entity.type
Publication
Affiliations

* The migration of download and view statistics prior to the date of April 8, 2024 is in progress.

Views
41
Views per month
Views per city
Wroclaw
8
Krakow
3
Athis-Mons
1
Boardman
1
Borås
1
Bydgoszcz
1
Chandler
1
Charleston
1
Debica
1
Dublin
1