Centrum Prasowe UMCS

Zacznijmy od podstaw i wyjaśnijmy, czym są hydrożele i co to znaczy, że są one usieciowane hierarchicznie.

Hydrożele są to trójwymiarowe sieci zbudowane z elastycznych łańcuchów polimerowych, które są w stanie pomieścić dużą ilość wody, nawet tysiące razy więcej niż masa samego polimeru, zachowując jednocześnie strukturę elastycznego ciała stałego. Nawet po odparowaniu wody wysuszona struktura hydrożelowa wykazuje zdolność do absorpcji dużej ilości wody i odbudowania trójwymiarowej struktury. Badania nad hydrożelami nabrały tempa w latach 60. XX w., kiedy to czescy chemicy po raz pierwszy zademonstrowali metodę otrzymania soczewek kontaktowych z opracowanego przez nich polimeru o nazwie poli(2-hydroksyetylometakrylan). Oczywiście polimerów zdolnych do tworzenia hydrożeli jest wiele, zarówno tych naturalnych, jak i syntetycznych. Wśród tych pierwszych wymienić można alginiany, chitozan, agarozę czy obecne w naszych organizmach fibrynę i kolagen.

Aby powstał hydrożel, tworzący go polimer musi zostać usieciowany, tzn. musi powstać wspomniana trójwymiarowa struktura, w której zostaje uwięziona woda. Zwykle jest to klasyczne usieciowanie, które prowadzi do otrzymania większości hydrożeli. Wyobraźmy sobie teraz, że podczas syntezy hydrożelu wprowadzamy nanocząstki, które zostają równomiernie zdyspergowane w sieci hydrożelowej i – podobnie jak woda – uwięzione w tworzącej się strukturze. Jeśli te nanocząstki będą mieć odpowiednie grupy chemiczne, to będą w stanie „zmusić” łańcuchy polimerowe do utworzenia z nimi trwałych połączeń. Pojawi się zatem drugi typ usieciowania: oto bowiem łańcuchy polimerowe nie będą już połączone tylko między sobą w skali, nazwijmy to, krótkozasięgowej; będą one również związane z pojawiającymi się gdzieniegdzie nanocząstkami, tym razem w skali średniozasięgowej. Zostało to schematycznie przedstawione na rysunku.

I tak właśnie są zbudowane hydrożele usieciowane hierarchicznie: występuje w nich dodatkowe usieciowanie będące skutkiem obecności odpowiednio sfunkcjonalizowanych nanocząstek, które stanowią swojego rodzaju węzły zdolne do kontrolowania właściwości takich hydrożeli. Jeśli te węzły będą nanocząstkami magnetycznymi, to poprzez przyłożenie pola magnetycznego będziemy wymuszać ich ruch zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego. Nanocząstki będą starały „rozpychać się” w hydrożelu lub nawet łączyć w większe domeny, ale to będzie trudne, ponieważ są integralną częścią polimerowej sieci, o co zresztą sami zadbaliśmy podczas ich syntezy. Na skutek tych zjawisk w hydrożelu pojawią się naprężenia, zmienią się zatem jego właściwości, szczególnie mechaniczne, ale również strukturalne (np. porowatość), może też pojawić się wymuszona polem magnetycznym anizotropia.

Na czym polegają i jak wyglądają badania nad hydrożelami?

To oczywiście zależy od tego, co chcemy badać. Hydrożele, którymi się dotychczas zajmowałem, posiadały równomiernie rozproszone mikrocząstki magnetyczne w całej swojej objętości. W efekcie takie hydrożele (a w zasadzie już ferrożele) zmieniały swoje właściwości mechaniczne czy nawet kształt pod wpływem pola magnetycznego, zaś celem badań było określenie, jak obecność określonych grup chemicznych na powierzchni magnetycznych cząstek wpływa na właściwości końcowe takich układów, głównie właściwości mechaniczne, ale także biokompatybilność, podatność magnetyczną czy łatwość ich wstrzykiwania do organizmu. Generalnie wszystkie te badania nie są łatwe z jednej zasadniczej przyczyny: hydrożele z definicji są silnie uwodnione, woda stanowi zwykle ponad 99% masy hydrożelu, zaś większość technik analitycznych wody „nie lubi”, tzn. obecność wody utrudnia przeprowadzanie wielu pomiarów. Żeby zobaczyć uwodniony hydrożel w dużym powiększeniu, należy użyć specjalnych technik takich jak cryo-SEM czy environmental-SEM (o ile się dobrze orientuję, nie mamy ich jeszcze na naszej Uczelni). Właściwości mechaniczne są również bardzo zależne od stopnia uwodnienia, a ten lubi się zmieniać, jeśli hydrożele nie są przechowywane w kontrolowanych warunkach temperatury i wilgotności. Tak więc cokolwiek nie robilibyśmy z uwodnionymi hydrożelami, trzeba to robić niezwykle starannie.

Pana projekt, który uzyskał dofinansowanie z NCN, zakłada projektowanie hydrożeli dla zastosowań biomedycznych. Jakie konkretnie efekty i rozwiązania są spodziewane? W jakich dziedzinach/obszarach medycyny znajdą swoje zastosowanie?

Przede wszystkim trzeba zauważyć, iż NCN finansuje projekty dotyczące badań podstawowych – nie można skupiać się zbytnio na konkretnym zastosowaniu, bo to już są badania stosowane, które finansują zupełnie inne agencje. Uważam to zresztą za pewien mankament obecnego systemu grantowego, co odczułem na własnej skórze, kiedy zbytnie skoncentrowanie się przeze mnie na rozwoju konkretnych zastosowań spowodowało odrzucenie mojego wniosku. Tak więc siłą rzeczy największy nacisk został położony na zaprojektowanie, a później otrzymanie hydrożeli magnetycznych złożonych z biokompatybilnych polimerów naturalnych oraz sfunkcjonalizowanych cząstek magnetycznych o różnych właściwościach chemicznych i morfologicznych.

Zaproponowane w projekcie podejście zaowocuje otrzymaniem hydrożeli magnetycznych o atrakcyjnych właściwościach, takich jak regulowalna porowatość, strukturalna anizotropia czy odpowiednie właściwości mechaniczne. W rezultacie będą one miały duży potencjał do wykorzystania w biomedycynie, w szczególności w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej. Przyszły rozwój tych obszarów w dużej mierze zależy od dostępności odpowiednich biomateriałów. W tym kontekście dogłębna wiedza na temat hydrożeli usieciowanych hierarchicznie, posiadających ściśle określone właściwości biologiczne, fizyczne i chemiczne, a które zostaną opracowane w ramach tego projektu, ma olbrzymią szansę przyczynić się do rozwoju tych obszarów biomedycyny, które właśnie bazują na wykorzystaniu biomateriałów o kontrolowanych właściwościach.

Uważam, że mam dużo szczęścia, iż w projekcie tym wezmą udział hiszpańscy naukowcy z Uniwersytetu w Granadzie, którzy mają olbrzymie doświadczenie w realnych zastosowaniach hydrożeli w medycynie regeneracyjnej. Wiedzą zatem, które pomysły mają szanse na ewentualne powodzenie, a które powinniśmy zaniechać już na wstępie.

Czy biomedycyna to jedyny możliwy obszar do zastosowania hydrożeli?

Szeroko rozumiane zastosowania biomedyczne takie jak np. medycyna regeneracyjna, inżynieria tkankowa, kontrolowane dostarczanie i uwalnianie leków czy terapie przeciwnowotworowe to obecnie najszerzej badane obszary zastosowań hydrożeli. Wynika to oczywiście z właściwości samych hydrożeli, które z uwagi na fakt, że są miękkie i zdolne do zatrzymywania dużych ilości wody, bardzo przypominają żywe tkanki. Są one ponadto biokompatybilne, co już wiele lat temu otworzyło im drogę do zastosowań w medycynie czy kosmetologii. Wiele osób nosi przecież soczewki kontaktowe, a przecież to nic innego jak hydrożel w czystej postaci, w którym polimerem formującym hydrożel jest wspomniany poli(2-hydroksyetylometakrylan). W aptece możemy kupić hydrożelowe opatrunki, które pozwalają na szybsze gojenie się ran, ponieważ bardzo dobrze chłoną wydzielinę, a jednocześnie zapewniają wysokie nawilżenie ran. Osoby pasjonujące się ogrodnictwem mogą wykorzystać hydrożele (z uwagi na zastosowanie określane czasem mianem agrożeli) jako materiały magazynujące wodę, co zwiększa pojemność wodną gleby, zmniejszając tym samym częstotliwość podlewania, sprzyja lepszemu ukorzenianiu roślin czy ułatwia transport i nasadzanie. Pół żartem, pół serio, wychodzi na to, że jesteśmy skazani na hydrożele nie tylko w biomedycynie.

Jeśli chodzi o hydrożele magnetyczne (ferrożele), które są konceptem znacznie nowszym od ich niemagnetycznych odpowiedników, można mówić póki co o potencjalnych zastosowaniach. Generalnie ferrożele testowane są w tych samach obszarach co hydrożele. Jednakże z uwagi na obecność magnetycznych domen możemy bezkontaktowo zmieniać właściwości ferrożelu, nawet gdy jest on już w organizmie. To zaś daje bardzo duże możliwości teranostyczne. Innym, niezwykle ciekawym pozamedycznym zastosowaniem ferrożeli jest ich wykorzystanie w tzw. miękkiej robotyce do zdalnie sterowanego poruszania ruchomymi częściami poprzez systemy manipulacji magnetycznej. Wykorzystuje się tu zjawisko magnetostrykcji, tj. zmiany rozmiaru lub
odkształcenie jakiegoś ciała (w tym przypadku ferrożelu) pod wpływem pola magnetycznego.

Jak narodził się pomysł na prowadzenie tego typu badań? Skąd wzięło się Pana zainteresowanie hydrożelami?

Tak się złożyło, że podczas mojej naukowej kariery miałem możliwość pracy nad bardzo różnymi tematami dotyczącymi chemii materiałowej. Niektórzy to krytykowali, twierdząc, że powinienem zostać specjalistą w jednym wąskim obszarze, jednak mnie bardziej pociągało rozwiązywanie nowych problemów oraz interdyscyplinarność, którą uważam za zalążek większości innowacyjnych pomysłów. Dzięki takiemu podejściu mogłem uczestniczyć w wielu niezwykle interesujących projektach, m.in. tworzyć wytrzymałe materiały do pojazdów kosmicznych, optyczne sensory biomedyczne czy sorbenty do usuwania toksycznych gazów i zanieczyszczeń, jak również teoretycznie modelować pewne układy chemiczne, próbując przewidywać ich właściwości czy oddziaływania. Wielokrotnie odwiedzając moich przyjaciół z Uniwersytetu w Granadzie, mogłem przyglądać się ich interesującym eksperymentom z magnetycznymi cieczami oraz hydrożelami. Możliwość zdalnego i bezkontaktowego sterowania ich właściwościami, przy użyciu zewnętrznego pola magnetycznego, bardzo mnie wtedy zafascynowała.

Kiedy Narodowa Agencja Wymiany Akademickiej (NAWA) ogłosiła pierwszy konkurs na wsparcie międzynarodowej mobilności naukowców im. Bekkera, zaproponowałem prof. Fernando González-Caballero złożenie wniosku, w którym zaplanowalibyśmy badania nad magnetycznymi hydrożelami, na co od razu przystał. Wniosek ten uzyskał finansowanie i mogłem powoli pakować walizki, zresztą nie po raz pierwszy, bo w Granadzie odbyłem ostatni rok studiów kilkanaście lat wcześniej.

Roczny pobyt w Granadzie pozwolił mi na dokładne poznanie metod syntezy różnych grup hydrożeli (głównie supramolekularnych) oraz opisu ich właściwości mechanicznych, biokompatybilności czy też na bliższe przyjrzenie się ich zastosowaniom w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej. Tu muszę wspomnieć, iż ośrodek w Granadzie posiadał w momencie mojego przyjazdu olbrzymie doświadczenie oraz praktykę kliniczną w zastosowaniu opracowanych przez siebie materiałów hydrożelowych do regeneracji tkanek takich jak skóra czy rogówka oka. Roczny pobyt stypendialny w Hiszpanii niestety szybko zleciał i zaczęliśmy szukać innych możliwości kontynuacji naszych badań – i tak rozpoczęły się starania o uzyskanie finansowania, co w końcu się udało.

Uzyskał Pan dofinansowanie w kwocie ponad 1,5 mln zł na prowadzenie badań. To duży sukces. Czy mógłby Pan zdradzić swój przepis na jego osiągnięcie, podpowiedzieć coś tym, którzy w przyszłości będą aplikować o granty?

Z punktu widzenia wysokości przyznanego finasowania można to potraktować jako dość spory sukces, a na pewno jest to sukces długo wyczekiwany. Środki te udało się bowiem uzyskać dopiero po dwóch latach starań, za czwartą próbą. Z jednej strony oddaje to poniekąd aktualną specyfikę pozyskiwania funduszy na badania, z drugiej zaś jasno wskazuje, iż trzeba być po prostu wytrwałym. I to pierwsza podpowiedź, jakiej mógłbym udzielić: trzeba być bardzo wytrwałym. Czy chcemy, czy nie, próbując zdobyć dofinansowanie z jakiegokolwiek źródła zewnętrznego, rywalizujemy z wieloma wyśmienitymi naukowcami czy ośrodkami z całej Polski, a czasami Europy. To powoduje, iż nawet doskonały pomysł może nie zostać sfinansowany, bo były inne, dużo lub tylko nieco lepsze. To powinno nas motywować do dalszych starań, poprawy złożonego wniosku, a czasem może wręcz do krytycznego przemyślenia postawionej hipotezy badawczej.

Mam to szczęście, że na przestrzeni lat recenzowałem projekty badawcze dla kilkunastu agencji badawczych w Polsce i Europie (choć akurat na tej liście nigdy nie było NCN). To dało mi możliwość obserwacji, jak inni naukowcy, nierzadko światowego formatu, piszą wnioski i jak te wnioski są później oceniane. Uważam to za bezcenne doświadczenie i – jeśli tylko pojawi się taka możliwość – gorąco polecam każdemu z niej skorzystać. Na pewno nie ma magicznej recepty na otrzymanie grantu, to wypadkowa wielu czynników, w tym zapewne również odrobiny szczęścia. Ale żeby mieć szczęście, trzeba w ogóle spróbować, zaś dokładając do tego wytrwałość i dobry pomysł, szanse na wymarzony grant rosną.