Biological properties of modified carbon nanomaterials in in vitro conditions

Biomateriałami nazywamy substancje, które dzięki swoim właściwościom i strukturze mogą być stosowane w medycynie w celu zastąpienia danego narządu lub jego części.Wszystkie biomateriały znajdujące zastosowanie w medycynie muszą być dokładnie zbadane pod względem toksyczności i biozgodności. W tym celu przed aplikacją biomateriału do ludzkiego organizmu, konieczne jest przeprowadzenie badań laboratoryjnych umożliwiających określenie ich właściwości biologicznych. W niniejszej pracy porównano właściwości nanowłókien węglowych z właściwościami nanorurek węglowych w kontakcie z fibroblastami i makrofagami w warunkach in vitro. Zbadano cytotoksyczność i wpływ nanomateriałów na żywotność komórek, fagocytozę, produkcję wolnych rodników i powstanie stresu oksydacyjnego. Niniejsza praca składa się z dwóch części: teoretycznej i eksperymentalnej.W części teoretycznej zostały przedstawione zagadnienia związane z biomateriałami – definicja, klasyfikacja i ich zastosowanie w medycynie. Scharakteryzowano materiały węglowe, w szczególności nanostruktury tego pierwiastka – nanowłókna i nanorurki, ich właściwości oraz zastosowanie w medycynie.W pracy przedstawiono także aspekty opisujące reakcje tkanek i całego organizmu ludzkiego w odpowiedzi na zastosowane materiały – opisano stan zapalny oraz stres oksydacyjny. W części eksperymentalnej badano wpływ biomateriałów – nanowłókien i nanorurek węglowych wytworzonych w Akademii Górniczo – Hutniczej, na żywotność komórek oraz na powstanie stresu oksydacyjnego. Przeprowadzone badania wykazują, że nanocząsteczki węglowe w określonych stężeniach nie są cytotoksyczne i nie zmniejszają żywotności komórek, nanorurki nawet zwiększają ich proliferację. Nanowłókna węglowe spowodowały większą produkcję wolnych rodników tlenowych i obniżenie stosunku GSH/GSSG – wskaźnika stresu oksydacyjnego w porównaniu do nanorurek i komórek kontrolnych.

Biomaterials are substances of different construction and properties that are used in medicine to replace an organ or tissue. All biomaterials used in medicine must be carefully tested for toxicity and biocompatibility. For this purpose, prior to the application of biomaterial to the human body, it is necessary to perform laboratory tests to determine their biological properties.In this paper the properties of carbon nanofibres compared to carbon nanotubes were studied in contact with fibroblasts and macrophages in in vitro conditions. The cytotoxicity and influence of nanomaterials on cell viability, phagocytosis, free radicals production and oxidative stress were studied. This work consists of two parts: theoretical and experimental.In the theoretical part, issues related to biomaterials have been presented - definition, classification and their application in medicine. Carbon materials, in particular the nanostructures of this element - nanofibers and nanotubes, have been characterized, their properties and application in medicine. The paper also describes aspects of the reactions of tissues and the whole of the human body in response to the materials used - inflammation and oxidative stress.In the experimental part, the influence of biomaterials - nanofibers and carbon nanotubes produced at the AGH University of Science and Technology, on cell viability and on oxidative stress was investigated.Studies have shown that carbon nanoparticles did not reduce cell viability significantly, what’s more, nanotubes increased their proliferation. Carbon nanofibers increased the production of oxygen free radicals and lowered the GSH / GSSG ratio of the oxidative stress index compared to nanotubes and control cells.