Study of elastomeric substrates for biomedical applications

W nowoczesnej medycynie kluczowe znaczenie ma wczesna diagnostyka dlatego intensywnie poszukuje się rozwiązań miniaturowych typu „Lab-on-a-chip”, które będą wykorzystywane do wykrywania chorób, począwszy od cukrzycy do potencjalnego wykorzystania w rozpoznawaniu nowotworów. Dlatego wciąż istnieje potrzeba poszukiwania nowych materiałów biokompatybilnych, które mogą zostać użyte do wytworzenia podłoży do hodowli komórkowych, dając możliwość kontroli procesów adhezji i proliferacji komórek. Celem pracy było przygotowanie podłoży polimerowych o różnych właściwościach mechanicznych oraz fizykochemicznych mających potencjalne zastosowanie w biomedycynie jako podłoża do hodowli komórek nowotworowych oraz zbadanie wpływu właściwości fizycznych i chemicznych podłoży polimerowych na adhezję komórek nowotworowych pęcherza moczowego. Badania przeprowadzono dla linii komórkowej HCV-29, komórek prawidłowego pęcherza moczowego z nabłonka przejściowego.Do przygotowania podłoży wykorzystano polimer elastomerowy poli(dimetylosiloksan) (PDMS), dla którego istnieje możliwość sterowania elastycznością oraz trzy konwencjonalne polimery różniące się wartością modułu Younga: poli(styren) (PS), poli(N-izopropyloakrylamid) (PNIPAM) i poli(tlenek etylenu) (PEO). Przy użyciu techniki spin castingu wytworzono podłoża, gdzie warstwa PDMS o różnej elastyczności pokryta była jednorodną warstwą polimerową (PS, PEO, PNIPAM) oraz dwuskładnikową warstwą uzyskaną przez zmieszanie w/w polimerów w kombinacjach: PS-PNIPAM, PS-PEO, PNIPAM-PEO w stosunku wagowym 1:1. Analiza badanych podłoży obejmowała charakterystykę właściwości mechanicznych oraz fizykochemicznych. Grubość warstw polimerowych wyznaczono przy użyciu techniki spektroskopii odbiciowej światła białego, a elastyczność podłoży metodą spektroskopii sił atomowych. Morfologię powierzchni układów dwufazowych obrazowano przy użyciu mikroskopii sił atomowych.Uzyskane wyniki wykazały, że manipulacja stosunkiem stechiometrycznym bazy i utwardzacza oraz czasem ekspozycji na promieniowanie UV umożliwia sterowanie elastycznością podłoży PDMS. Dodatkowo wykazano, że elastyczność warstwy polimerowej dla warstw do kilkudziesięciu nm nie zależy od grubości tej warstwy, a następnie wzrasta ze wzrostem grubości. Elastyczność warstwy PDMS nie wpływa natomiast na wartość elastyczności wierzchniej warstwy polimerowej.Do zbadania wpływu własności podłoża na adhezję komórek nowotworowych pęcherza moczowego wytypowano podłoża PDMS o różnej elastyczności pokryte warstwą PS. W tym celu metodą mikroskopii optycznej, w celu zbadania jednorodności powierzchni podłoża, obrazowano powierzchnię podłoży PDMS pokrytych jednorodną warstwą PS. Dodatkowo metodą spektrometrii mas jonów wtórnych TOF – SIMS wykonana została chemiczna analiza wierzchniej warstwy podłoży.Właściwości adhezyjne komórek nowotworowych pęcherza moczowego zbadano przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego. Zbadano, który z czynników (sztywność warstwy PDMS czy skład chemiczny podłoża) w większym stopniu wpływa na adhezję komórek nowotworowych pęcherza moczowego.Otrzymane wyniki wykazały, że adhezja komórek linii HCV-29 zależy od elastyczności podłoża PDMS, natomiast nie ma na nią wpływu obecność cienkiej warstwy poli(styrenu), na którym obserwowano wcześniej niski wzrost i namnażanie się komórek.

In modern medicine a fundamental element is early diagnosis, therefore actively seeking a miniature solution like Lab-on-a-chip devices, which will be used for detection, and diagnosing of distinct diseases, starting from diabetes to potential use in cancer identification. Is why there is still a need for new biocompatible materials that may be used to produce polymeric substrates, providing the ability to control the adhesion and proliferation.The aim of this study was the preparation of polymeric substrates, which have different mechanical and physico-chemical properties with potential biomedical applications as substrates for the culture of tumor cells and examining the effects of physical and chemical properties of polymeric substrates for adhesion of tumor cells of the bladder. Tests were carried out for the cell cancer of the ureter (HCV-29 cells).The substrates was prepared using poly(dimethylsiloxane) (PDMS), for which it is possible to control the elasticity and three conventional polymers differing in the value of Young's modulus of poly(styrene) (PS), poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and poly(ethylene oxide) (PEO). Using the technique of spin casting prepared substrate, wherein the layer of PDMS with different elasticity was covered with a uniform layer of polymer (PS, PEO PNIPAM) and two-component coating prepared by mixing w / w polymer combinations: PS-PNIPAM, PS-PEO, PEO PNIPAM in a weight ratio of 1: 1. The analysis examined the characteristics of substrates comprised of mechanical and physico-chemical properties.The thickness of polymer layers was determined using White Light Reflectance Spectroscopy technique and the elasticity of substrates using Atomic Force Spectroscopy. The morphology of the surface was imaged with Atomic Force Microscopy.The results showed that manipulation of stoichiometric ratio of base and a crosslinker and the time of exposure to UV radiation allows to control the elasticity of the PDMS substrates. It was further found that the flexibility of the polymer layer for the layers to several tens nm is not dependent on the thickness of this layer, and then increases with increasing thickness. The elasticity of the PDMS layer, but does not affect the value of the elasticity of the outer polymer layer.To investigate the effect on the adhesion properties of the substrate bladder cancer cells were identified PDMS substrate with different elasticity coated PS. For this purpose by optical microscopy in order to examine the uniformity of the substrate surface was imaged surface of the PDMS substrate coated with a uniform layer of PS. In addition, by secondary ion mass spectrometry TOF - SIMS was performed chemical analysis of the top layer substrates.The adhesion properties of the bladder tumor cells were examined with a Fluorescence Microscopy. Examined, which factor (stiffness of the PDMS layer or chemical composition of the substrate) greater effect on the adhesion of cancer cells of the bladder.The results showed that the adhesion of cells of the HCV-29 depends on the flexibility of the PDMS substrate, and is not influenced by the presence of a thin layer of poly (styrene), in which the previously observed low growth and proliferation of cells.