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.
Last update: ZUSKOVA (17.06.2003)
Cílem kursu je poskytnout základní informace potřebné k pochopení principů a mechanismů interakcí, ke kterým dochází při kontaktu syntetického polymeru s biologickým prostředím, a vysvětlit podmíněnost těchto interakcí strukturou a fyzikálními i chemickými vlastnostmi použitých polymerů.
Kurz je uspořádán do tematických bloků. Předpokládá se aktivní práce studentů s původní literaturou při doplňování konkrétních poznatků a příkladů dokumentujících jednotlivá témata
Requirements to the exam - Czech
Last update: prof. Mgr. Martin Hrubý, Ph.D., DSc. (08.06.2018)
Zkouška bude probíhat formou presentace a následmé diskuse zvoleného tématu souvisejího s probíranou látkou před ostatnimi studenty.
Syllabus - Czech
Last update: prof. Mgr. Martin Hrubý, Ph.D., DSc. (08.06.2018)
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.)
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.
