Předložená doktorská disertační práce je věnována přípravě a charakterizaci bioarteficiálního polymerního materiálu s latentní medicínskou aplikací. Navzdory velkému pokroku, kterého dosáhla věda o polymerech, včetně polymerů v oblasti medicíny, stale v této oblasti zůstávají významné nevyřešené problémy. Jedním z těchto problémů, který je vskutku jeden z nejkomplikovanějších, jsou srůsty. Ten to jev vzniká jako pooperační následek a může způsobovat mnoho dalších potíží. Ačkoliv se polymery již v této věci zkoušely, alternativní nebo doplňující léčba by mohla přispět k rozvoji nových technik, které by zeslabily, omezily nebo zcela odstranily tento problém. Míchání polymerů je cenná metoda získávání materiálů s lepší funkcí a vlastnostmi než mají jednotlivé složky samostatně. Dále, polymerní směs se dvěma různými povrchy představuje zajímavý přístup pro separaci tkání, čímž by se zamezilo vzniku srůstů. Z uvedených důvodů tato disertace obsahuje široký popis biomateriálů a jejich použití jako rámec pro porozumění vlastnostem, které musí biomateriál splňovat. Současně jsou detailně popsány kolagen, poly(vinylalkohol) a poly(vinylpyrrolidon), přičemž je věnována speciální pozornost směsím těchto druhů materiálů v oblasti medicíny. V této práci byly rozvinuty tři přístupy k přípravě bioarteficiálních polymerních materiálů. Za prvé, poly(vinylalkohol), jako biodegradabilní a biokompatibilní polymer, byl rozpuštěn v ethylenglykolu a vzniklý roztok byl vystaven mikrovlnnému záření. Proces byl sledován pomocí UV-VIS a FT-IR spektroskopií. Bylo zjištěno, že tato expozice nezpůsobuje významné změny polymeru a že jeho degradace může být považována za zanedbatelnou z hlediska pozdějšího zpracování polymeru. Navíc, SEC potvrdila, že v polymeru se neodehrávají žádné změny molární hmotnosti, ani štěpení řetězců, ani síťování se nepozorovalo. Za druhé, poly(vinylalkohol) a poly(vinylpyrrolidon) byly zamíchány a získané filmy nesíťovány a změkčeny se záměrem dále je využít jako biomateriál s latentní medicínskou aplikací. Získané filmy byly charakterizovány diferenciální skenovaní kalorimetrií (DSC), byly zkoumány mechanické vlastnosti, bobtnání a rozpustnost. Polymerní směs vykazuje vhodné vlastnosti ve smyslu studovaných parametrů a v důsledku toho lze považovat připravený materiál za případně vhodný pro použití jako středně či dlouhodobý implantát. Konečně, jako třetí významný výsledek, byl připraven dvojstranný bioarteficiální materiál, který byl charakterizován různými přístrojovými metodami. Tento materiál má větší odolnost vůči vodě a má lepší mechanické vlastnosti, než výchozí polymery. Provedená charakterizace ukazuje, že kombinace síťovacího činidla a změkčovadla neovlivňuje negativně funkci bioarteficiální fólie v rozsahu fyziologicky významných frekvencí při normální teplotě lidského těla, což naznačuje případnou aplikaci v medicíně.
Annotation in English
The presented doctoral thesis is dedicated to the preparation and characterisation of bioartificial polymeric materials with latent medical application. Besides of the progress that polymer science has reached, including polymers in medical field, there are still significant unsolved problems related to this topic. One of those problems which are indeed one of the most complicated issues in medicine is fibrous adhesion. This phenomenon appears as a consequence of a surgery and it might generate further inconveniences. Although polymers have been used in this matter, an alternative or complementary treatment could contribute in the development of new techniques which may attenuate, reduce or even eliminate the mentioned problem. Blending polymers is a valuable method for obtaining materials with superior performance and better properties than the individual components. Furthermore, a polymer blend with two different surfaces represents an interesting approach for differentiating tissues and therefore, for reducing the fibrous adhesion. For the mentioned reasons, this thesis contains a broad description of biomaterials and their uses as a frame for understanding the characteristics that bioartificial polymeric materials need to fulfil. Simultaneously, collagen, poly(vinyl alcohol) and poly(vinyl pyrrolidone) are deeply described and special attention is paid to blends of these kind of materials in the medical field. Three approaches about preparation of bioartificial polymeric materials are developed within this thesis. In the first one, poly(vinyl alcohol) as a biodegradable and biocompatible polymer is dissolved in ethylene glycol and the solution is subjected to microwave irradiation. The process is monitored by UV-VIS and FTIR spectroscopy and as a result, the treatment does not cause significant changes in the polymer and degradation can be considered as negligible with regard to polymer processing. Moreover, SEC confirms that no variations in poly(vinyl alcohol) molar mass and neither chain cleavage nor crosslinking reactions are observed. In the second one, poly(vinyl alcohol) and poly(vinyl pyrrolidone) are blended and the obtained films are crosslinked and plasticised with the further intention of being used as bio-materials with latent medical application. The obtained films are characterised by differential scanning calorimetry (DSC), mechanical properties, swelling and solubility behaviour. The polymer blend exhibits an appropriate performance in the studied parameters and as a consequence, the obtained films could be suitable for use as medium or long term implants. Finally and as a remarkable result, a double-sided bioartificial polymeric material is obtained and it is characterised by different instrumental methods. The material exhibits higher water resistance and mechanical properties than the raw polymers. The characterisation indicates that the combination of crosslinker and plasticiser agents do not affect negatively the performance of the bioartificial film in the range of physiological relevant frequencies at normal human temperature which might indicate that films can be suitable candidate for medical applications.
Keywords
Bio-arteficiální polymerní materiál, poly(vinylalkohol), poly(vinylpyrrolidon), kolagen, mechanické vlastnosti, tepelné vlastnosti.
Předložená doktorská disertační práce je věnována přípravě a charakterizaci bioarteficiálního polymerního materiálu s latentní medicínskou aplikací. Navzdory velkému pokroku, kterého dosáhla věda o polymerech, včetně polymerů v oblasti medicíny, stale v této oblasti zůstávají významné nevyřešené problémy. Jedním z těchto problémů, který je vskutku jeden z nejkomplikovanějších, jsou srůsty. Ten to jev vzniká jako pooperační následek a může způsobovat mnoho dalších potíží. Ačkoliv se polymery již v této věci zkoušely, alternativní nebo doplňující léčba by mohla přispět k rozvoji nových technik, které by zeslabily, omezily nebo zcela odstranily tento problém. Míchání polymerů je cenná metoda získávání materiálů s lepší funkcí a vlastnostmi než mají jednotlivé složky samostatně. Dále, polymerní směs se dvěma různými povrchy představuje zajímavý přístup pro separaci tkání, čímž by se zamezilo vzniku srůstů. Z uvedených důvodů tato disertace obsahuje široký popis biomateriálů a jejich použití jako rámec pro porozumění vlastnostem, které musí biomateriál splňovat. Současně jsou detailně popsány kolagen, poly(vinylalkohol) a poly(vinylpyrrolidon), přičemž je věnována speciální pozornost směsím těchto druhů materiálů v oblasti medicíny. V této práci byly rozvinuty tři přístupy k přípravě bioarteficiálních polymerních materiálů. Za prvé, poly(vinylalkohol), jako biodegradabilní a biokompatibilní polymer, byl rozpuštěn v ethylenglykolu a vzniklý roztok byl vystaven mikrovlnnému záření. Proces byl sledován pomocí UV-VIS a FT-IR spektroskopií. Bylo zjištěno, že tato expozice nezpůsobuje významné změny polymeru a že jeho degradace může být považována za zanedbatelnou z hlediska pozdějšího zpracování polymeru. Navíc, SEC potvrdila, že v polymeru se neodehrávají žádné změny molární hmotnosti, ani štěpení řetězců, ani síťování se nepozorovalo. Za druhé, poly(vinylalkohol) a poly(vinylpyrrolidon) byly zamíchány a získané filmy nesíťovány a změkčeny se záměrem dále je využít jako biomateriál s latentní medicínskou aplikací. Získané filmy byly charakterizovány diferenciální skenovaní kalorimetrií (DSC), byly zkoumány mechanické vlastnosti, bobtnání a rozpustnost. Polymerní směs vykazuje vhodné vlastnosti ve smyslu studovaných parametrů a v důsledku toho lze považovat připravený materiál za případně vhodný pro použití jako středně či dlouhodobý implantát. Konečně, jako třetí významný výsledek, byl připraven dvojstranný bioarteficiální materiál, který byl charakterizován různými přístrojovými metodami. Tento materiál má větší odolnost vůči vodě a má lepší mechanické vlastnosti, než výchozí polymery. Provedená charakterizace ukazuje, že kombinace síťovacího činidla a změkčovadla neovlivňuje negativně funkci bioarteficiální fólie v rozsahu fyziologicky významných frekvencí při normální teplotě lidského těla, což naznačuje případnou aplikaci v medicíně.
Annotation in English
The presented doctoral thesis is dedicated to the preparation and characterisation of bioartificial polymeric materials with latent medical application. Besides of the progress that polymer science has reached, including polymers in medical field, there are still significant unsolved problems related to this topic. One of those problems which are indeed one of the most complicated issues in medicine is fibrous adhesion. This phenomenon appears as a consequence of a surgery and it might generate further inconveniences. Although polymers have been used in this matter, an alternative or complementary treatment could contribute in the development of new techniques which may attenuate, reduce or even eliminate the mentioned problem. Blending polymers is a valuable method for obtaining materials with superior performance and better properties than the individual components. Furthermore, a polymer blend with two different surfaces represents an interesting approach for differentiating tissues and therefore, for reducing the fibrous adhesion. For the mentioned reasons, this thesis contains a broad description of biomaterials and their uses as a frame for understanding the characteristics that bioartificial polymeric materials need to fulfil. Simultaneously, collagen, poly(vinyl alcohol) and poly(vinyl pyrrolidone) are deeply described and special attention is paid to blends of these kind of materials in the medical field. Three approaches about preparation of bioartificial polymeric materials are developed within this thesis. In the first one, poly(vinyl alcohol) as a biodegradable and biocompatible polymer is dissolved in ethylene glycol and the solution is subjected to microwave irradiation. The process is monitored by UV-VIS and FTIR spectroscopy and as a result, the treatment does not cause significant changes in the polymer and degradation can be considered as negligible with regard to polymer processing. Moreover, SEC confirms that no variations in poly(vinyl alcohol) molar mass and neither chain cleavage nor crosslinking reactions are observed. In the second one, poly(vinyl alcohol) and poly(vinyl pyrrolidone) are blended and the obtained films are crosslinked and plasticised with the further intention of being used as bio-materials with latent medical application. The obtained films are characterised by differential scanning calorimetry (DSC), mechanical properties, swelling and solubility behaviour. The polymer blend exhibits an appropriate performance in the studied parameters and as a consequence, the obtained films could be suitable for use as medium or long term implants. Finally and as a remarkable result, a double-sided bioartificial polymeric material is obtained and it is characterised by different instrumental methods. The material exhibits higher water resistance and mechanical properties than the raw polymers. The characterisation indicates that the combination of crosslinker and plasticiser agents do not affect negatively the performance of the bioartificial film in the range of physiological relevant frequencies at normal human temperature which might indicate that films can be suitable candidate for medical applications.
Keywords
Bio-arteficiální polymerní materiál, poly(vinylalkohol), poly(vinylpyrrolidon), kolagen, mechanické vlastnosti, tepelné vlastnosti.
