Syllabus
ÚVOD: BIOMATERIÁLY A BIOMEDICINÁLNÍ POLYMERY ? DŮVODY STUDIA, CÍLE A MOŽNOSTI * Fyzikální formy a vlastnosti polymerních biomateriálů. Vymezení pojmů (biopolymery, bioanalogické polymery, biodegradovatelné polymery, biomateriály, biomedicinální polymery). Polymery biologického původu (biopolymery) vs. polymery syntetické - srovnání charakteristických vlastností, společné znaky a typické rozdíly. Polymery: pevné vs. rozpustné - hydrofobní vs. hydrofilní - rozpustné vs. síťované gely - polymerní koloidní částice - erodující- biodegradovatelné - metabolizovatelné. Základní molekulární a fyzikální parametry potřebné k charakterizaci polymerů a polymerních materiálů v uvedeném kontextu. POLYMERNÍ BIOMATERIÁLY: STRUKTURA, PŘÍPRAVA A VLASTNOSTI * Biopolymery Nejvýznamnějších zástupci jednotlivých typů biopolymerů.
Proteiny (albuminy, kolagen, elastin, fibrin, fibroin); Polysacharidy ( škrob, dextran, celulóza, kys. hyaluronová, manan, inulin,); Nukleové kyseliny (DNA, RNA, syntetické polynukleotidy). Původ (zdroje); biosyntéza; struktura (primární, sekundární, terciární, kvartérní); vztahy mezi strukturou biopolymeru a jeho charakteristickými vlastnostmi. * Syntetické polymery Polymery tvořené výhradně uhlíkovým řetězcem (polyolefiny, vinylické polymery, poly-(meth)akryláty a poly(meth)akrylamidy). Polymery s heteroatomy v řetězci (polyethery, polyurethany, polyamidy, polyfosfazeny, aj.) * (Bio)degradovatelné a bioanalogické polymery. Alifatické polyestery (PLA,PGA, PCL); polyhydroxyalkanoáty (PHB, PHV, PHBV); poly(aminokyseliny), polydepsipeptidy. * Polymer-modifikační reakce Příprava konjugátů polymerů s biologicky aktivními látkami. POLYMERY A BIOLOGICKÉ PROSTŘEDÍ Optimalizace interakce mezi polymerem a biologickým systémem jako klíčová podmínka správné funkce biomateriálů. Charakteristika biologického prostředí; pojem "vnitřní prostředí organismu". * Kompártmentový model organismu: Funkce (výsledný efekt) polymeru v organismu jako výsledek jeho přechodů a interakcí na kompártmentových barierách.
Struktura a funkce kompártmentových bariér. Mechanismy přechodu makromolekul a koloidních částic přes kompártmentové bariery. * Nejvýznamnější kompártmentové přechody určující biodistribuci a farmakokinetiku polymerů. (Rozbor charakteristických příkladů založených na experimentálních datech z literatury).
Vliv molekulárních parametrů polymeru na kompartmentové přechody: nespecifické faktory a specifické interakce (hydrodynamický objem, náboj, tvar molekuly, molekulární rozlišení, receptor-ligandové interakce, pasivní vs. aktivní transport). Absorpce makromolekul; oběhová distribuce; prostup cévní stěnou (extravasace); renální exkrece; jiné způsoby eliminace polymeru; souvislosti mezi způsobem aplikace a biodistribucí polymerů. * Biokompatibilita polymerů. Srovnání různých pojetí bio-kompatibility; vztah k účelu použití polymerního materiálu; charakteristické projevy reakce organismu; příklady metod používaných pro testování bio-kompatibility. * Imunitní vlastnosti polymerů. Vysvětlení základních pojmů; strukturní faktory ovlivňující imunogenicitu polymeru; imunogenicita přírodních a syntetických polymerů; možnosti využití syntetických polymerů při ovlivňování imunitní odpovědi. * (Bio)degradace polymerů. Abiotické a biotické mechanismy degradace polymerů; biologické degradace jako enzymaticky katalyzované procesy; typy a mechanismy enzymatických degradací (biologické oxidace, hydrolysa); strukturní předpoklady pro biodegradovatelnost polymeru; metody sledování biodegradace; interpretace údajů získávaných jednotlivými metodami a jejich význam pro použití polymerů jako biomateriálů. Příklady nejznámějších biodegradovatelných polymerů a role biodegradace při jejich použití. BIOLOGICKÉ A BIOMEDICINÁLNÍ APLIKACE POLYMERŮ Charakteristika jednotlivých typů aplikací; typické příklady z literatury; rozbor funkce polymeru v daném systému; výhody a nevýhody; podmínky realizovatelnosti. * Bioamateriály. Pomocné a podpůrné materiály; polymery při hojení ran; protetické materiály; dentální materiály. * Faramaceutické aplikace. Polymery v lékových formách.
Polymerní systémy pro řízené uvolňování léčiv (reservoárové systémy-osmotické pumpy- erozí (rozpustností) řízené systémy - biodegradovatelné systémy - gely - mikrokapsule- nanočástice - polymerní micely - rozpustné polymerní konjugáty). Polymerní léčiva a pomocné látky. * Diagnostika.
Biosensory. Bioreaktory. PERSPEKTIVY A NOVÉ SMĚRY * Polymery pro buněčné terapie a regenerace tkání (tkáňové inženýrství). Biodegradovatelné polymery jako dočasné podpůrné struktury pro tkáňové náhrady (polymer scaffolds). Strukturní a morfologické požadavky na polymerní materiál. Interakce na mezifází polymer-tkáň (buňka); role povrchových interakcí; bioaktivní povrchy; topografie povrchu (surface pattern). Pokročilé metody formování biomateriálů a biospecifických povrchů; "rapid-prototyping" metody; mikrolitografické metody. * Bioanalogické systémy. Organisované nadmolekulární struktury.
Hybridní systémy - aplikace molekulárního a genového inženýrství. ZÁVĚREČNÁ A SOUHRNNÁ DISKUSE.
Annotation
Interdisciplinary course for advanced students of chemistry, which provides a survey of science of a high-development potential emerging on intersections of the polymer science and biochemistry, biology, biomedicine and pharmacology.