Modifikace biodegradabilních polyurethanů biologicky aktivními látkami - Kupka, Vojtěch (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická, 2018)
Předkládaná dizertační práce se zabývá novým způsobem přípravy biodegradabilních polyuretanů (PU) a jejich modifikací biologicky aktivními celulózovými nanokrystaly. Literární rešerše se zaměřuje na bioresorbovatelné PU v tkáňovém inženýrství. Shrnuje příklady těchto PU elastomerů, skafoldů (nosičů buněk) i injektovatelných PU společně se způsoby biodegradace na netoxické produkty. Poslední část je zaměřena na nanocelulózu, která si získala pozornost díky svým pozoruhodným fyzikálním (velký specifický povrch, mechanické vlastnosti) a biologickým (biokompatibilita, biodegradabilita a nízká toxicita) vlastnostem jako materiál pro biomedicínu. V experimentální části byly charakterizovány amfifilní biodegradovatelné polyuretanové filmy (bio-PU) syntetizované bez použití rozpouštědla polyadiční reakcí z hydrofilního poly(ethylenglykolu) (PEG) a hydrofobního poly(e-kaprolaktonu) (PCL) jako makrodiolů společně s hexamethylen diizokyanátem. Připravené bio-PU filmy byly charakterizovány pro různé poměry jak mezi PEG/PCL, tak i mezi NCO/OH reagujícími skupinami (izokyanátový poměr). Bio-PU filmy projevily markantní nárůst mechanických vlastností při hmotnostním poměru PEG/PCL rovnému nebo menšímu než 20/80 díky vzniku krystalických domén PCL. Přítomnost PEGu zvyšovala schopnost bio-PU filmu absorbovat vodu i urychlila jeho hydrolytickou degradaci. Oproti tomu nižší absorpční schopnost a delší čas hydrolytické degradace materiálu způsobil vyšší izokyanátový poměr, a tedy i vyšší síťová hustota. Třetí část práce se zabývá přípravou polyuretanových nanokompozitů unikátní metodou bez použití rozpouštědla za využití bio-PU matrice a celulózových nanokrystalů buď nemodifikovaných, nebo povrchově roubovaných PEGem. Strukturní analýza prokázala, že přítomnost tyčinkovitých nanočástic způsobuje imobilizaci polymerních segmentů, v důsledku čehož se zvýšila tuhost a křehkost materiálu. Nastavením vhodného poměru mezi PEG/PCL, množstvím izokyanátu, či přídavkem modifikovaného nanoplniva může být bio-PU materiál "ušit na míru" s vhodnými mechanickými (houževnatost, tažnost) a fyzikálními (botnání, degradace) vlastnostmi. Díky přípravě bez použití rozpouštědla by mohly být připravené materiály využity v regenerativní medicíně např. jako cévní štěpy.

Presented dissertation thesis is focused on novel preparation of biodegradable polyurethanes (PUs) and their modification by biologically active cellulose nanocrystals. Literary review deals with current state of bioresorbable PUs used in tissue engineering. Examples of prepared PU elastomers, scaffolds and injectable PUs, together with biodegradation pathways to non-toxic products are summarized. The last part of the literary review is targeting on nanocellulose, which has gained much attention for the use as biomedical material due to its remarkable physical (high specific surface area, mechanical reinforcement) and biological (biocompatibility, biodegradability and low toxicity) properties. Experimental part presents characterization of biodegradable amphiphilic polyurethane films (bio-PUs) synthesized by solvent free polyaddition reaction of hydrophilic poly(ethylene glycol) (PEG) and hydrophobic poly(e-caprolactone) (PCL) as macrodiols with hexamethylene diisocyanate. Prepared bio-PUs were characterized on one hand by means of different PEG/PCL ratio and on the other hand by changing the isocyanate ratio between NCO/OH groups. Abrupt enhancement of mechanical properties was observed when PEG/PCL weight ratio was equal to or less than 20/80 and was ascribed to the PCL ability to form crystalline domains. The increasing amount of PEG promoted the ability of bio-PUs to absorb water and enhance the rate of hydrolytic degradation. Whereas, reducing the ability of bio-PUs to absorb water and prolonged time of hydrolytic degradation was achieved with increasing the crosslink density by enhancing the isocyanate ratio. The last part deals with novel solvent free preparation of nanocomposite utilizing bio-PU as a matrix and cellulose nanocrystals either neat or surface grafted by PEG. Structural analysis demonstrated that the presence of rod-like nanoparticles causes the immobilization of the PU chains in matrix resulting in increased stiffness and rigidity of bio-PU/cellulose nanocomposite. By adjusting the PEG/PCL ratio, the amount of isocyanate or the presence of nanofiller, the novel bio-PU material with desirable mechanical (toughness, flexibility) and physical (swelling, degradation) properties can be obtained. Prepared solvent free bio-PUs may advantageously be used in regenerative medicine for soft tissue regeneration (e.g. as vascular grafts).
Modification of Biodegradable Polyurethanes by Biologically Active Substances
Keywords: polyuretan; polyethylenglykol; polykaprolakton; nanocelulóza; nanokompozit; tkáňové inženýrství; Polyurethane; poly(ethylene glycol); poly(e-caprolactone); nanocellulose; nanocomposite; tissue engineering