Nové typy hybridních organosilanových (nano)vlákenných scaffoldů připravených pomocí metod elektrostatického zvlákňování a technologie 3D tisku se zaměřením na aplikace v oblasti regenerativní medicín

V současné době existuje celá škála tzv. hybridních organicko-anorganických (nano)vlákenných materiálů, které však vznikají vzájemným mísením organických složek (organické polymery typu polyvinylalkohol-PVA, polyvinylbutyral-PVB, polyhydroxybutyral-PHB, polykaprolakton-PCL, polyvinylpyrolidon-PVP apod.) a anorganických složek (různé typy alkoxidů např. křemíku, titanu, hliníku, zirkonu aj.) za pomoci různých technologií, včetně elektrostatického zvlákňování. Výše uvedené materiály mají aplikační potenciál nebo se již používají v celé řadě průmyslových odvětví či v běžném životě. Jedná se zejména o oblasti optoelektroniky, senzoriky, energetiky, filtrací vody nebo vzduchu, katalýzy, automobilového průmyslu, textilního průmyslu, a především pak medicíny. Jejich velkou nevýhodou však je, že celá řada těchto (nano)materiálů vzniká za poměrně složitých podmínek (ekonomických i ekologických), či s využitím toxických látek, zejména se jedná o málo polární, nepolární či vysoce nepolární organická rozpouštědla, různá aditiva, organické polymery, surfaktanty apod. Následně je problematické tyto (nano)materiály využít právě v medicínské oblasti, kde je kladen nejvyšší důraz na cytokompatibilitu, biokompatibilitu a netoxicitu připravených (nano)materiálů jak in vitro, tak také in vivo. Navíc se takovéto typy (nano)materiálů potýkají s celou řadou problematických vlastností jako je např. mechanická a tepelná odolnost, změny v chemických, či fyzikálních vlastnostech vlivem celé řady externích faktorů z běžného prostředí. Výše uvedených parametrů lze však velmi efektivně dosáhnout za pomoci přípravy skutečně čistě hybridních organicko-anorganických nanovláken připravených z vhodně volených typů organosilanových prekurzorů bez nutnosti aplikace podpůrných činidel v podobě organických polymerů, aditiv, surfaktantů či silně toxických organických rozpouštědel s využitím ekologicky i ekonomicky efektivního procesu jejich přípravy. Námi navrhovaná technologie přípravy takovýchto typů (nano)vlákenných hybridních materiálů zahrnuje využití čtyř základních komponent tedy vodu, minerální kyselinu, alkohol a vhodný typ organosilanu (organo-mono-silylovaný, či organo-bis-silylovaný prekurzor). Uvedené komponenty lze efektivně zpracovat velmi jednoduchou a ekonomicky přijatelnou, kysele katalyzovanou metodou sol-gel za vzniku zvlákňovacího roztoku, který lze velmi snadno transferovat pomocí technologie elektrostatického zvlákňování na celosvětově unikátní čistě hybridní organosilanová (nano)vlákna vykazující vysokou míru cytokompatibility, až 99%, s téměř nulovou toxicitou při zachování velmi zajímavých materiálových vlastností, jako je dobrá mechanická i tepelná odolnost, vodivost, či optická aktivita. Takto připravená čistě hybridní organosilanová (nano)vlákna lze dále efektivně zpracovávat např. pomocí technologie kryomletí a dále je využít jako „nosiče“ organických biomateriálů typu chitosan, želatina, nebo algináty připravovaných ve formě hydrogelů. Pokud jsou uvedená kryomletá (nano)vlákna přidána do těchto typů biomateriálů (hydrogelů), lze je použít pro technologii 3D tisku a připravit tak zcela unikátní typy plně biokompatibilních bioorganicko-hybridních hydrogelových scaffoldů vhodných pro celou škálu aplikací v oblasti tkáňového inženýrství a regenerativní medicíny. Takovéto typy naprosto jedinečných systémů vykazují, díky svým multifunkčním vlastnostem, široké pole působnosti pro celou řadu buněčných linií počínaje základními fibroblasty až po velmi složité a komplikované buněčné linie typu kardiomyocitů, či buněk nervové tkáně. Důkazem toho, že se jedná o zcela unikátní typy vlákenných (nano)materiálů, je aktuálně přijatá evropská patentová přihláška týkající se výše popsané přípravy čistě hybridních organosilanových (nano)vláken bez jakýchkoliv aditiv usnadňujících proces zvlákňování (PS4427EP; 11/2021). Navázaná spolupráce se skupinou profesora Alda R. Boccacciniho z Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nürnberg nám tak umožnila a umožňuje dále prohlubovat a rozvíjet výše představený výzkum a aplikační potenciál našeho patentov