Makro -a mikroreologie hydrogelů a jejich vztah k transportu nosičů léčiv

Abstract

Předložená dizertační práce se zabývá studiem makro a mikroreologických vlastností hydrogelových systémů s inkorporovanými strukturami, které mohou věrohodně modelovat systém extracelulární matrice (ECM) s nanonosičem léčiva. Hlavní myšlenka a primární motivace v této vědecko-výzkumné oblasti studia pramenila z otázky potenciální korelace viskoelastických vlastností hydrogelových materiálů jako celku (makroúroveň) s těmi, které byly získány lokálně (mikroúroveň), tedy jestli, a případně do jaké míry, spolu souvisí mechanické vlastnosti modelů ECM a pohyb nanonosičů v nich. V rešeršní části práce jsou kromě teoretických možností uskutečnitelnosti matematického propojení transportu částic s makroreologií také části věnující se volbě materiálů vhodných pro tuto závěrečnou práci. Hydrogelovou matricí byl na tomto základě zvolen agarózový hydrogel jakožto jednoduchý polysacharidový systém, dále také komerčně dostupný gelový systém Geltrex s komplexním složením věrně imitující nativní ECM. Nosičové systémy pak byly modelovány křemičitými nanočásticemi o různých velikostech (10, 30, 100 nm) dále také micelami vzniklých z kladně (CTAB), záporně (SDS) a také nenabitých (Tween 20) tenzidů. Experimentální část je poté rozdělena na dva základní oddíly. První z nich se zabývá komplexní makroreologickou charakterizací pomocí reometrie, druhá část je orientována na charakterizaci mikroreologickou, přičemž pro účely této práce byla konkrétně volena metoda dynamického rozptylu světla (DLS) a také fluorescenční korelační spektroskopie (FCS). Významná část práce je poté věnována vlastní korelaci získaných dat, ať už se jedná o porovnatelnost reometrických testů mezi sebou nebo přímo výstupů z makro a mikroreologických technik. V závěrečné části práce je pak také hodnoceno samotné použití zvolených přepočtů či je diskutován smysl a případná omezení jednotlivých metod studia.

The submitted dissertation focuses on the study of macro and microrheological properties of hydrogel systems with incorporated structures that can realistically model an extracellular matrix (ECM) system with a drug nanocarrier. The fundamental idea and primary motivation in this scientific research area stem from the question of a possible correlation between the viscoelastic properties of hydrogel materials as a whole (macro level) and those obtained locally (micro level). That is, whether and to what extent the mechanical properties of ECM models relate to the movement of nanocarriers within them. In the literature review section, alongside theoretical considerations regarding the feasibility of mathematically linking particle transport with macrorheology, parts of the work are also devoted to the selection of materials suitable for this thesis. Based on this, agarose hydrogel was selected as the simple polysaccharide hydrogel matrix along with a commercially available gel system, Geltrex, with a complex composition closely mimicking native ECM. The carrier systems were modelled using nanoparticles of various sizes (10, 30, and 100 nm), as well as micelles formed from positively charged (CTAB), negatively charged (SDS), and neutral (Tween 20) surfactants. The experimental section is divided into two main sections. The first focuses on comprehensive macrorheological characterization using rheometry, while the second part is oriented towards microrheological characterization, specifically using dynamic light scattering (DLS) and fluorescence correlation spectroscopy (FCS). A significant portion of the work is dedicated to correlating of the obtained data, whether comparing different rheometric tests among themselves or directly comparing the outputs from macro and microrheological techniques. The final section of the thesis also evaluates the application of selected conversion methods and discusses the purpose and possible limitations of the individual study techniques.