Aktualności

Serdecznie zapraszamy do lektury artykułu naszego wolontariusza Maksymiliana Skrzypca. Publikacja powstała na podstawie jego pracy dyplomowej inżynierskiej w obszarze materiałów polimerowych.

O Autorze

Jestem absolwentem Politechniki Krakowskiej na kierunku Nanotechnologie i nanomateriały gdzie aktywnie uczestniczyłem w pracach koła naukowego SmartMat. Obecnie 2 stopień realizuję na Akademii Górniczo-Hutniczej na kierunku Energetyka wodorowa gdzie w przyszłości chciałbym połączyć te dwie dziedziny nauki. W wolnych chwilach lubię grać w siatkówkę, czytać i pogrywać w szachy 😊 .

Cel pracy

Celem pracy było zbadanie wpływu ilości kreatyny jako dodatku do syntezowanych materiałów hydrożelowych w polu promieniowania UV, na właściwości fizykochemiczne tychże materiałów – ich strukturę, a także zdefiniowanie potencjału wynikającego z takiego połączenia substancji.

Same hydrożele to materiały polimerowe o trójwymiarowej sieci strukturalnej. Pierwszej syntezy dokonano w 1960 roku i od tego czasu gwałtownie zyskują na popularności, ponieważ dzięki swoim charakterystycznym właściwościom jak np. pęcznienie, czy stabilna struktura jednocześnie pozwalająca na uwalnianie środka aktywnego. Materiał ten może być wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu, a w szczególności w medycynie przy zastosowaniach inżynierii tkankowej. Charakter struktury hydrożeli pozwala na włączanie w ich formę wielu środków aktywnych o odnotowanych korzyściach zdrowotnych i uwalnianie ich w kontrolowany sposób.

Jednym z takich środków jest kreatyna. To naturalnie występujący, zawierający w swojej strukturze azot związek organiczny zbudowany z aminokwasów, zaliczany do rodziny fosfagenów guanidyny. W organizmach zwierzęcych tworzy się w trakcie przemiany materii. Następnie łączy się w tkankach z kwasem fosforowym tworząc kwas kreatynofosforowy (fosfagen). Wiele badań potwierdziło działanie prozdrowotne kreatyny przy jej odpowiedniej suplementacji. W zależności od zapotrzebowania stosowanie kreatyny wiąże się z poprawą budowy masy i siły mięśniowej, oraz przyczynia się do poprawy zdrowia skóry. Kreatyna posiada odnotowany korzystny wpływ na kondycję mózgu i serca, a nawet wykazuje działanie przeciwnowotworowe i antydepresyjne. Połączenie kreatyny, chitozanu i hydrożelu może pozwolić na pełne wykorzystanie ich właściwości, przez co utworzony w ten sposób materiał może być stosowany jako środek leczniczy.

Badania

Część badawcza opierała się na przeprowadzeniu analizy właściwości fizykochemicznych, zsyntezowanego w tym celu, materiału hydrożelowego na bazie chitozanu z dodatkiem kreatyny. Aby określić charakter hydrożelu poddano go badaniom, celem których było ustalenie najważniejszych parametrów struktury. Poprzez wyznaczenie współczynnika pęcznienia, pomiar pH, analizę widm spektroskopii FT-IR, zbadanie aktywności biologicznej, oraz analizę obrazu z mikroskopu optycznego zdefiniowano najważniejsze cechy materiału hydrożelowego.

W zlewce z 0,05% roztworem kwasu octowego rozpuszczono 0,5 g chitozanu w celu utworzenia 50 ml 1% roztworu chitozanu. Całość umieszczono na mieszadle magnetycznym i mieszano przez 7 min, utrzymując temperaturę 30 ^oC. W dalszej kolejności przygotowany roztwór przelano do 5 zlewek po 10 ml. Do 4 z nich dodano kolejno 0,1 g, 0,3 g, 0,5 g i 0,7 g kreatyny, a następnie do wszystkich wprowadzono 2,8 ml diakrylanu poli(glikolu etylenowego) (środek sieciujący), oraz 0,1 ml 2-hydroksy-2-metylopropiofenonu (fotoinicjator) i wymieszano. W tabeli 1. zaprezentowano skład otrzymanych materiałów.

Tab. 1.Skład otrzymanych materiałów hydrożelowych.

Kolejno każdą z mieszanin umieszczono na szalce Petriego, po czym poddano je, jedna po drugiej, fotopolimeryzacji przez 2 min wykorzystując lampę UV przy zastosowaniu długości fali λ= 320 nm (lampa EMITA VP-60). Zsyntezowane w ten sposób hydrożele wysuszono w inkubatorze z termoregulacją temperatury w 37 ℃ i podzielono na równe części otrzymując próbki do badań.

Rys. 1. Hydrożel z dodatkiem kreatyny otrzymany w wyniku fotopolimeryzacji.

• Wyznaczanie współczynnika pęcznienia

Bardzo ważną właściwością hydrożeli jest pęcznienie, które definiuję się poprzez określenie współczynnika pęcznienia. Wartość tego współczynnika
w sposób bezpośredni przekłada się na stopień wytrzymałości mechanicznej materiału hydrożelowego. W tym celu przygotowane próbki, umieszczono w 30 ml każdego z uprzednio przygotwanych płynów doświadczalnych tj. woda destylowana, SBF (z ang. Simulated Body Fluid), płyn Ringer’a, sztuczna ślina, a następnie inkubowano w sterylnie zamkniętych pojemnikach polipropylenowych łącznie przez okres 48 h w temperaturze 36 ^oC. Każdorazowo po upływie 1 h, 24 h i 48 h próbki wyciągano z inkubatora i ważono w temperaturze pokojowej. Przeprowadzone badanie wykazało, że otrzymane materiały spełniają funkcję materiałów hydrożelowych, ponieważ przejawiają zdolność pęcznienia w symulowanych płynach ustrojowych użytych w trakcie realizacji doświadczenia.

• Pomiar pH

Określenie miary pH jest potrzebną procedurą przy charakteryzowaniu materiałów hydrożelowych, ponieważ wykorzystując je np. w medycynie. Kluczowym jest, aby matryca posiadała zbliżoną wartość pH do wartości w miejscu zastosowania bądź aby pH nie wpływało negatywnie na kontakt z organizmem ludzkim. Aby wyznaczyć pH próbek zsyntezowanych hydrożeli umieszczono je w 30 ml każdego z płynów doświadczalnych po czym umieszczono w inkubatorze i inkubowano w temperaturze 36 ^oC na łączny czas 4 tygodni. Po upływie 1,2,3 i 4 tygodnia przeprowadzano pomiar pH w temperaturze otoczenia, tj. poza inkubatorem. Zaobserwowano, że w 3 tygodniu inkubacji dochodzi do gwałtowniejszych zmian pH, co z pewnym prawdopodobieństwem można tłumaczyć degradacją próbki. Próbka Kr-7% wynikami odbiega od pozostałych. Bazując na otrzymanych wynikach można z pewną dozą prawdopodobieństwa stwierdzić, że zbyt duża zawartość kreatyny w materiale hydrożelowym przyśpiesza proces degradacji próbki.

• Spektroskopia FT-IR

Próbki po 4 tygodniowym okresie inkubacji w zastosowanych płynach oddzielono od roztworu i wysuszono, a następnie poddano spektroskopii FT-IR w temperaturze pokojowej w zakresie 4000 – 600 cm^-1. Określenie widm próbek pozwoliło zdefiniować stopień zmian struktury hydrożeli po przeprowadzonej inkubacji. Ważną obserwacją jest fakt, że widma FT-IR próbek zawierających kreatynę, po procesie inkubacji zachowują identyczny charakter jak widma dla próbki bez dodatku kreatyny co informuje nas o tym, że doszło do całkowitego uwolnienia się kreatyny do płynu inkubacyjnego i pozostała tylko podstawowa sieć polimerowa.

• Aktywność biologiczna

Próbka z największą zawartością kreatyny wykazała aktywność biologiczną we wszystkich płynach inkubacyjnych, co stanowi zadowalający efekt, ponieważ dodatek kreatyny nie zaburzył działania antyoksydacyjnego materiału.

• Analiza mikroskopowa

Zaprezentowane zdjęcia z mikroskopu optycznego przedstawiają zmiany w mikrostrukturze materiału w zależności od wzrastającej zawartości kreatyny.

Rys. 2. Obraz z mikroskopu optycznego próbki nie zawierającej kreatyny – Kr-0%.

Rys. 3.Obraz z mikroskopu optycznego próbki Kr-1% od a) góry, b) spodu.

Rys. 4.Obraz z mikroskopu optycznego próbki Kr-5% od a) góry, b) spodu.

Z otrzymanych obrazów z mikroskopu optycznego można stwierdzić, że pofałdowanie powierzchni proporcjonalnie intensyfikuje się wraz ze zwiększoną ilością kreatyny w składzie. Czarne plamy stanowią znajdującą się w składzie kreatynę.

Z racji możliwości wykorzystania hydrożeli w medycynie badania powinny zostać w przyszłości pogłębione o dodatkowe analizy takie jak testy cytotoksyczności, aktywności prozapalnej, oraz badania wytrzymałości mechanicznej. Otrzymany produkt może być stosowany jako środek poprawiający zdrowie skóry dzięki prozdrowotnie działającej kreatynie uwalnianej z hydrożelu. Poprzez to połączenie powstaje materiał, który posiada kompleksowe właściwości i może być śmiało stosowany jako środek leczniczy.

Bibliografia

1. [1] Hoffman J., Ratamess N., Kang J., Mangine G., Faigenbaum A., Stout J.: Effect of creatine and beta-alanine supplementation on performance and endocrine responses in strength/power athletes, J. Sport Nutr. Exerc. Metab., 16/2006, s. 430–446.
2. [2] Kerksick C.M., Rasmussen C., Lancaster S., Starks M., Smith P., Melton C., Greenwood M., Almada A., Kreider R.: Impact of differing protein sources and a creatine containing nutritional formula after 12 weeks of resistance training, Nutrition, 23/2007, s.647–656.
3. Narayanaswamy R, Torchilin VP. Hydrogels and Their Applications in Targeted Drug Delivery, Molecules, Luty 8;24(3)/2019, s. 603.