Tarčna dostava zdravilnih učinkovin na želeno mesto in sprošþanje s kontrolirano hitrostjo povečujejo
učinkovitost zdravljenja, zmanjšujejo stranske učinke in obremenitev na pacienta, varujejo učinkovino
pred razkrojevalnimi dejavniki v telesu ter znižujejo ceno zdravljenja. Na tem področju se kot dostavni sistemi učinkovin najpogosteje uporabljajo hidrogeli. Priprava in načrtovanje primernih lastnosti hidrogelov za enkapsulacijo in zaščito učinkovine, transport na želeno mesto in sprememba v strukturi hidrogela, ki povzroči sproščanje učinkovine z natančno določeno hitrostjo, zahteva številne kompleksne študije in eksperimente. V disertaciji je skladno s tem predstavljeno matematično
modeliranje hidrogelnih lastnosti za napoved ključnih parametrov za načrtovanje zahtevanih lastnosti
hidrogelov, kot so strižni modul, gostota zamreženja, povprečna velikost por v hidrogelni mreži in
napoved hitrosti sproščanja učinkovine. Predlagan pristop bi lahko bil potencialno uporaben v vseh
aplikacijah hidrogelov, kjer je načrtovanje želenih lastnosti ključnega pomena. Razvit matematični
model bi lahko zmanjšal število eksperimentov potrebnih pri načrtovanju hidrogelov in na ta način
skrajšal čas raziskav, zmanjšal stroške raziskav in zmanjšal porabo kemikalij in energentov ter tako
prispeval k bolj okolju prijaznim raziskavam.
Pri načrtovanju hidrogelov z želenimi lastnostmi ima ključno vlogo koncentracija polimerov, masni
delež polimerov v mešanici in koncentracija ter vrsta zamreževala. Za namen tarčne dostave in
biokompatibilnosti so bili uporabljeni pH odzivni biopolimeri. Hidrogele smo pripravljali iz
modificirane nanoceloluloze, alginata in skleroglukana, ki predstavljajo biopolimerno osnovo
preuþevanih sistemov. Z namenom razširitve pH območja odzivnosti hidrogelov smo nanofibrilno
celulozo funkcionalizirali, s ciljem doseči kationsko naravo nanoceluloznega hidrogela. Območje
raziskav smo dopolnili s pripravo hidrogelov iz različnih mešanic osnovnih biopolimerov, kar je
povečalo možnosti načrtovanja lastnosti hidrogelne mreže (velikost por, naboj, hidrofilnost) za potrebe širokega območja uporabnosti. V sklepnem delu modifikacije hidrogelne mreže smo uporabili reološki modifikator Laponit, ki je bil vključen v biopolimerno mešanico in tako vplival na mejne lastnosti hidrogela (vpliv na sposobnost zadrževanja in migracijo učinkovine). Dodatno kontrolo nad gostoto zamreženja in s tem velikostjo por smo dosegli z uporabo zamreževalnega sredstva, pri čemer so se v luči ohranjanja biokompatibilnosti v večini primerov uporabljali ionski zamreževalci (kalcijevi ioni).
Matematično modeliranje sproščanja različnih učinkovin zajema natančno analizo dve ključnih
mehanizmov, difuzije ter kinetike adsorpcije in desorpcije učinkovine v primeru elektrostatskih
interakcij s hidrogelno površino. Prenos snovi z difuzijo je neposredno povezan z velikostjo por v
hidrogelni mreži, saj le te omogočajo popolno enkapsulacijo učinkovine, ko je njen hidrodinamični radij večji od velikosti por. Po drugi strani pa povečanje por vodi v difuzijo učinkovine. Pore delujejo kot sterične ovire, pri čemer lahko s spreminjanjem velikosti por nadzorujemo hitrost sproščanja. Prvi del doktorske disertacije je zato ciljno usmerjen v razvoj matematičnega modela za napoved povprečne velikosti por v hidrogelni mreži glede na koncentracijo biopolimerov in zamreževala. Velikost por smo določali z reološkimi oscilatornimi meritvami, saj mehanske lastnosti hidrogelov določajo strižni modul in gostoto zamreženja. Predstavili smo teorijo polimer-polimer interakcij, ki omogoča analizo mehanskih lastnosti hidrogelov kot posledico interakcij med polimernimi verigami, ki nastanejo med procesom zamreževanja. Gostota zamreženja smo definirali kot število povezav med polimernimi verigami na volumen hidrogela. Dokazali smo, da je število povezav, ki nastanejo med zamreževanjem, odvisno od koncentracije funkcionalnih skupin na površini polimera, koncentracije polimera in zamreževala ter od težnje zamreževala k ustvarjanju interakcij med polimeri. Na podlagi ugotovljenih prevladujočih vodikovih in ionskih interakcij smo razvili matematični model za napoved strižnega modula, gostote zamreženja in povprečne velikosti por v hidrogelu v odvisnosti od koncentracije polimera in zamreževala. Model je bil modificiran za odziv hidrogelov v okolju z različno temperaturo in pH vrednostjo. Z uporabo razvitega modela v že znanih korelacijah med povprečno velikostjo por in difuzijskim koeficientom smo napovedali hitrost sproščanja učinkovin v primerih, kjer je difuzija prevladujoč transportni pojav in učinkovine s hidrogeli ne tvorijo interakcij. Veljavnost modela smo preverili s številnimi testi sproščanja v mediju z različno pH vrednostjo in temperaturo. Kot modelne učinkovine smo uporabili teofilin in FITC dekstran z različnimi molekulskimi masami. Na ta način smo matematično ovrednotili tudi vpliv velikosti učinkovine na hitrost sproščanja.
Drugi del disertacije se nanaša na karakterizacijo hidrogelov in iskanje materialnih lastnosti, ki vplivajo na načrtovanje hidrogelov kot dostavnih sistemov učinkovin. Poleg že omenjenih reoloških oscilatornih meritev smo izvedli še reološke rotacijske meritve, ki so pomembne predvsem z vidika aplikativnih lastnosti hidrogelov. Objavljena je bila obširna študija različnih hidrogelnih sistemov na osnovi biopolimernih mešanic ob dodatku Laponita kot reološkega modifikatorja. Natančna analiza tokovnega obnašanja in določitev viskoznosti prvega newtonskega območja ter mejne napetosti je vodila do raziskovanja neposredne povezave med mehanskimi in tokovnimi lastnostmi. Ta študija je omogočila
modifikacijo matematičnega modela za napoved gostote zamreženja s korelacijskim faktorjem in tako
smo matematično napovedali tudi mejne napetosti hidrogelnih sistemov. Pristop ugotavljanja korelacije
med mehanskimi in tokovnimi lastnostmi je vodil do lažjega razumevanja procesa zamreževanja v
kompleksnih hidrogelnih sistemih. Po drugi strani smo s testi nuklearne magnetne resonance z nizkim
poljem (LF-NMR) dokazali nehomogenost hidrogelne mreže. Na ta način smo dobili podrobnejše
informacije o gostoti zamreženja in matematični model posledično še dodatno potrdili. Hkrati smo
določena odstopanja modela od eksperimentalnih vrednosti lahko ustrezno obrazložili. Na področju
karakterizacije hidrogelov smo se osredotočili predvsem na študijo nanoceluloze, ki postaja vse bolj
zanimiva za raziskovanja na področju hidrogelov. Kot že omenjeno, smo v disertaciji uspešno
modificirali nanocelulozo s kationskim značajem in tako še razširili število biopolimerov za načrtovanje pH odzivnih hidrogelov. Poleg tega smo preučili vpliv velikosti vlaken na reološke lastnosti. Ugotovili smo tudi, da je za natančno načrtovanje hidrogelov kot dostavnih sistemov ključno poznavanje morfoloških in topografskih lastnosti hidrogelne površine. Slednje je še posebej pomembno pri mehanizmih adsorpcije in desorpcije učinkovin na površino.
Tretji del raziskovalnega dela obsega natančno analizo kinetike adsorpcije in desorpcije proteinov na
oziroma s površine hidrogelov. Kot modelni protein smo izbrali lizocim. V zadnji predstavljeni
publikaciji smo z matematičnim modeliranjem sproščanja lizocima ob že vnaprej dobro razvitem
modelu za napoved difuzivnosti lizocima natančno opisali kinetiko adsorpcije v odvisnosti od
temperature in ionske moči medija za sproščanje. Prvič smo predstavili mehanizem določitve začetne
(maksimalne) hitrosti adsorpcije proteina na površino hidrogela. Hkrati je bilo mogoče podobno določiti tudi začetno (minimalno) hitrost desorpcije proteina s površine. Upočasnjevanje hitrosti adsorpcije in povečevanje hitrosti desorpcije ob povišani ionski moči sta bila natančno matematično ovrednotena z optimizacijskimi parametri prileganja funkcije k eksperimentalnim podatkom. Implementacija matematičnega modela študije kinetike adsorpcije in desorpcije v že predhodno razviti model za napoved sproščanja učinkovine po difuzijskem mehanizmu omogoča razvoj splošnega matematičnega modela za napoved tarčne dostave učinkovin s kontroliranim sproščanjem v odvisnosti od parametrov za načrtovanje hidrogelov (koncentracija in vrsta polimerov in zamreževal ob razumevanju teorije interakcij polimer-polimer med procesom zamreževanja).
|