recentadvances in nanocellulose for … · 2017-11-30 · recentadvances in nanocellulose for...

RECENT ADVANCES IN NANOCELLULOSE FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS

MEDHI JORFI & E. JOHAN FOSTER (2015)

Ida Lepistö

Advanced Biopharmaceutics, 14.11.2017

1

14.11.2017Ida Lepistö

https://suomentulevaisuus.com/wp-content/uploads/2016/02/Screen-Shot-2016-02-10-at-15.41.30.png

http://www.helsinginkatse.fi/wp-content/themes/Jai/timthumb.php?src=http://www.helsinginkatse.fi/wp-content/uploads/2013/02/Royston.jpg&h=300&w=580&zc=1

https://pbs.twimg.com/media/CSn2UhsW4AE44OK.jpg

2

ESITYKSEN SISÄLTÖ

• Lyhyesti selluloosasta, nanoselluloosasta ja sen ominaisuuksista

• Esimerkkejä käyttösovelluksista:

• Implantit, kudosteknologia (tissue-engineering), lääkkeet, haavanhoito

• Turvallisuus ja toksikologia


”Suomen teollinen kilpailukyky jälleen nousuun” – Sampo Tuukkanen

3

SELLULOOSANOMINAISUUDET

14.11.2017

Ida Lepistö

”Suomen teollinen kilpailukyky jälleen nousuun” – Sampo Tuukkanen

PolysakkaridiKasvien soluseinissäBakteerien muodostaessa biofilminPaperiteollisuuden raaka-aine

4

NANOSELLULOOSA

• Luonnollisia polymeereja

• Alginaatti

• Kitosaani

• Gelatiini

• Kollageeni

• Elastiini

• Tärkkelys

• Selluloosa

• Selluloosa

• Cellulose nanocrystals (CNC)

• Bacterial nanocellulose (BNC)

• Cellulose nanofibrils (CNF)


5

NANOSELLULOOSAN OMINAISUUDET

• Hyvä saatavuus

• Biohajoava ja biopohjainen

• Bioyhteensopiva

• Hyvät mekaaniset ominaisuudet

• Vetysidokset

• Hydrogeeliytyminen

• Lineaarinen muoto

• Kuituinen

• Huokoisuus


http://news.psu.edu/sites/default/files/styles/topic_related_

multimedia/public/zBiofuel-108.jpg?itok=4TJdZELI

Voidaan tuottaa kestävästi (se kasvaa luonnossa)Toiminnallisesti hyvät ominaisuudet:- Huokoisuus- Pietsosähköisyys anturimateriaali, superkondensaattorin erotinkalvo

- Henkilökohtainen diagnostiikka

- http://news.psu.edu/sites/default/files/styles/topic_related_multimedia/public/zBiofuel-108.jpg?itok=4TJdZELI

6

BIOYHTEENSOPIVUUS

• Pinnan varaus

• Soluun otto

• Soluadheesio ja kasvu

• Yhteensopivuus veren kanssa

• Kemiallinen muokkaus

• Vettyminen

• Hydrofobiset ja –fiiliset päät


Positiivisesti varautuneet otetaan paremmin soluun sisäänPolyanion + polycation study about cell adhesion and growthZwitterionic surface improves blood compatibility

MuokkausMCC anchor for cell growthCNC improve cell adhesion

(MCC+CNC synergy)

7

SOVELLUKSET

Implantit ja kudosteknologia, lääkkeen vapautumisen säätely, haavatuotteet


Tässä artikkelissa käsiteltiin näitä aiheuita, mutta esimerkiksi Suomessa tutkitaan nanoselluloosan käyttöä erilaisissa lääketieteellisissä mikrofluidiikan sovelluksissa sekä printattavan elektroniikan komponenteissa

8

IMPLANTIT & KUDOSTEKNOLOGIA

AivoimplantitPehmytkudos

ja rustoVerisuonet Luut


9

IMPLANTIT

• Aivoimplantit

• Piitä, titaania, platinaa, kultaa, ruostumatonta terästä ym.

Tulehdusvaste

Ärsytys

• PVA + puuvillan sellu-nanokiteet


Tulehdusvaste aivoissa muodostuu yleensä neuronien kuolemasta implantin (elektrodin) läheisyydessä sekä signaalien vastaanotto heikkenee, kun gliasolutkapseloivat implanttia pidemmässä käytössä

Jäykkyys näillä materiaaleilla hyvä: ne on helppo asentaa, mutta aiheuttavat ärsytystä kudoksessa (mikroliike) koska ovat jäykempiä kuin ympäröivä kudosBiopolymeerit on saatu fysiologiseen vasteeseen muokkautuviksi, jolloin ne sopeutuvat ympäristöön: Asennuksessa jäykkiä, mutta fysiologisissa olosuhteissa pehmenee lähemmäksi aivokudoksen tasoa.

Ongelmia turpoaminen (PVA jäykkä ja hyvin pehmenevä, mutta imee liikaa vettä ja turpoaa; puuvillan CNCn avulla turpoamista pystytty vähentämään)

10

IMPLANTIT & KUDOSTEKNOLOGIA

• Pehmytkudos ja rusto

• BNC ei biohajoava fysiologisissa olosuhteissa

• Mekaaniset ominaisuudet, kemiallinen stabiilius

muokattavissa koostumuksella

• Huokoisuus solukasvualusta

• Luut

• Verisuonet

• Cornea


3D cellulose network and mechanical propertiesIhmisen kondrosyyttejä printattu 3D-printterillä nanoselluloosan kanssaDiverse cellulose species bionanocomposites containing hydroxyapatite (HA)

BNC ”most promising”Low cytotoxicityHigh porosity

Fiber network arrangement/density responsible for endothelial cell differentiatialbehavior

BONE TISSUECellulose tolerates local forcesIntegrates with host tissue without immune responseCA+ethylcellulose + collagen type I nanofibres

Better osteoblast adhesionProliferationAlkaline phosphatase expression

HABiocompatibility

11

BioactivityOsteoconductivityNoninflammatory

HA+Cellulose NC (HA/BNC NC scaffolds)CMC + CaCl2 SBF solution treatmentMineralization (ion change Na+ and Ca2+ in alkaline treatment)

BNC + Collagen I (covalently)CNC high-aspect-ratio, nanoscale dimensions – culturing of highly oriented tissues(skeletal muscle)

Bypass implants for heart surgeryBNC: different diameters (BASYC tubes)

Loaded with waterNo rejection after 4 weeks (rats)

Match between the implant and the tissue importantHyperplasia, ultimate graft failure

Anisotropic NCs (PVA and BNC)Cellulose/chitosan tubes

Cancer targetingFolic acid-grafted CNCs folate-receptor-mediated brain tumor cell uptake

Cornea replacementBiological detectionBiology-device interfacesNanogel complexes PNB + BNC surfactant-free polymerization

Thermosensitive (reversible) [Swollen Shrunken], increasing temperature(hydrogen bonding decreases) injectable biomaterials?

Electroactive hydrogelsConductive Polymer+BNC

11

LÄÄKEAINEEN KULJETUS

• FDA:n hyväksymä useassa valmisteessa

• CA – cellulose acetate

• HPMC – hydroxypropyl methylcellulose

• Pääosin säätelee vapautumisnopeutta

• Topikaaliset kalvot/filmit

• Proteiinien suojaaminen ja kuljetus

• ”Älykkäät” kohdentamissysteemit

• CNC + gamma aminobutyyrihappo + aromaattisesti vapautettava linkkeri


Can be crosslinked into hydrogels (hydrogen bonds)Can be metabolized naturally

Topikaaliset kalvot: tutkittiin lidokaiinin vapautumista bakteerisesta nanoselluloosasta tehdyn kalvon läpi permeaationopeus oli hitaampaa kuin geelistä/liuoksesta

Bakteerista nanoselluloosaa käytetty myös proteiinilääkkeitä tutkiessa: kylmäkuivattu BNC vähensi proteiinin soluunottoa (lisäten näin todennäköisesti kiertoaikaa verenkierrossa ja vähentää soluunottoa) ja lisäksi albumiinin rakenne säilyi

CNC + Spacer (gamma aminobutyric acid)- CNC + spacer + syringyl alcohol (an aromatic releasable linker)Dash and Ragauskas 2012

Cellulose Acetate (CA)HIV

12

AntibioticsPain relieverFlavonoids

Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC)Oral formulations

12

SÄÄDELTY KOHDENTAMINEN

• Erittäin huokoiset MFC

(microfibrillated cellulose) nanokiteet

• Solujen kasvun säätelyyn

• Nanoselluloosaan kiinnitetty kalsium

peroksidi

• Tuottaa vetyperoksidia, jota katalaasi

muuttaa hapeksi

14.11.2017

Ida Lepistö

Hydrogen peroxide + Oxygen releasing

Modulate the growth of cells (mammalian)

CPO Calcium peroxide embedded into MFC NCs

Producing H2O2

+ catalase to convert H2O2 to O2

Cell proliferation delayed because of the toxicity of H2O2 /

Hydroxyl radicals

13

CARBOXYMETHYLCELLULOSE (CMC)

• Säädeltävät CMC mikrokokoiset pallot

• Doxorubicin

• CMC nanopartikkelit (120 nm sperical)

• Docetaxel (DTX) hidas vapautuminen

• CMC nanogeelit

• Lääkkeen vapautuminen happamassa pH:ssa + rikkisiltojen pelkistyminen


arterial embolization application doksorubisiini palluratCMC nanopartikkeli DTX 90% exhibited tumor growth inhibition

Intracellular release in vitro HeLa cancer cells

Kuva lääkkeen vapautumisen säätelystä (Emilia kertonut tästä enemmän)

14


15

HAAVANHOITO

• Palovammojen päälle kuivumaton BNC

• Vakava-asteisten palovammojen ja kroonisten

painehaavojen hoitoon

• Kosteustasapaino

• Vähentää haavakipua

• Eläinkokeissa vähäinen tulehdusvaste

• Paksumpi kerros parempi

14.11.2017

Ida Lepistö

Carboxymethylcellulose (CMC)Nanocellulose material a promising biopolymer for skin-tissue-repair

16

ANTIBAKTEERISUUS

• Selluloosamateriaalit EIVÄT OLE itsessään antibakteerisia

• Antibakteeristen/antimikrobisten aineiden liittäminen

• Voidaan käyttää esimerkiksi

• Nanocurcumin + cotton nanocellulose fibers

• Aminoalkyl-grafted bacterial nanocellulose (BNC-NH2)

• Cotton cellulose + surface functionalization (L-cysteine)

• Cellulose NCs + Chitin nanocrystals (Chitosan = antimicrobial, deacetylated

from chitin)

• Tai metallipartikkeleita (hopea)


Metallipartikkeleissa tarvitaan usein tuotannossa myrkyllisiä pelkistimiä, mutta niihin saatu vaihtoehdoksi hedelmistä saadut pelkistimet ”green reductive methods”

17

TURVALLISUUS & TOKSIKOLOGIA

• Ei tutkitusti vakavia haittoja

• Ei kuitenkaan terveellistä hengitettynä

• Selluloosasta riippuen sytotoksisuus vaihtelee

• CNC: ei myrkyllinen pienillä pitoisuuksilla (50 microg/ml), mutta yli 100microg/ml

indusoi solukuolemaa ja muuttaa geeniekspressiota

• BNC ei tiedettyä sytotoksisuutta

• Kemialliset muokkaukset saattavat lisätä toksisuutta

• Pienikin muutos voi muuttaa käyttäytymistä suuresti!

• Lisätutkimusta erityisesti muokatuista tarvitaan


Not good when inhalated (pulmonary inflammation, self-aggregation and bioaccumulation in the body)

18

JOHTOPÄÄTÖKSET

• Vaaditaan moniammatillista yhteistyötä, jotta saadaan aikaiseksi toimiva

tuote

• Nanoselluloosassa on potentiaalia

• Helposti saatavilla, bioyhteensopiva ja hyvät mekaaniset ominaisuudet

• Tällä hetkellä parhaiten edennyt on haavanhoitosektori

• Kudosteknologiaan panostetaan paljon

• Erilaiset yhdistelmät ovat varmasti tulevaisuutta: diagnostiikka + hoito +

seuranta


19


http://www.aka.fi/globalassets/tietysti1.fi/tekniikka/pekka-pursula/kuva-2454.png

http://www.aka.fi/globalassets/tietysti1.fi/tekniikka/pekka-pursula/kuva-2454.pngVTT:n tiimipäällikkö Pekka Pursula näyttää laboratoriossa kädessään olevaa laastaria. Se on puolen kämmenen kokoinen, läpinäkyvä ja taipuisa. Laastarissa kulkee hopeanvärisiä johtimia ja johtojen päällä näkyy kirkasta hydrogeeliä. Kehitystyö on vielä kesken, mutta tässä on kovaa vauhtia kehittymässä älylaastari, jolla erityisesti isoja haavoja hoidetaan tulevaisuudessa.http://www.aka.fi/globalassets/tietysti1.fi/tekniikka/pekka-pursula/kuva-2454.png

20

KIITOS!KYSYMYKSIÄ?


21

LÄHTEET

• Mehdi Jorfi, E. Johan Foster: Recent advances in nanocellulose for biomedical applications.

J. APPL. POLYM. SCI. 2015 (DOI: 10.1002/APP.41719)


22

recentadvances in nanocellulose for … · 2017-11-30 · recentadvances in nanocellulose for...

Documents