Nauki ścisłe [2021-12-03]

Kolagenowe zamieszanie

— Marcin Behrendt

Naukowcy na całym świecie pracują nad mieszaninami kolagenu z innymi polimerami, by otrzymać biozgodny, ale zdecydowanie tańszy materiał. Prowadzone w ciągu ostatnich 20 lat badania podsumowuje artykuł prof. dr hab. Aliny Sionkowskiej z Wydziału Chemii UMK w Toruniu.

Prof. Sionkowska, jak sama mówi, zajmuje się przyjemniejszą stroną chemii, przyjazną dla zdrowia i ciała. Badaczka projektuje biomateriały i kosmetyki. Skład kosmetyków jest uregulowany prawnie, dlatego do ich produkcji można używać jedynie komponentów dopuszczonych przez Unię Europejską. Przy opracowywaniu materiałów również bazuje się na składnikach biozgodnych, czyli gwarantujących prawidłowe działanie w żywym organizmie. - Projektowanie biomateriałów polega na modyfikowaniu polimerów lub innych materiałów, by uzyskać lepsze właściwości użytkowe, nawilżające, kondycjonujące czy regenerujące – mówi chemiczka z UMK.

Kolagen na wagę złota

Kolagen jest głównym białkiem w skórze, ścięgnach i kościach ludzi oraz zwierząt. Ze względu na swoje właściwości, takie jak nietoksyczność i biozgodność, ma wiele zastosowań w medycynie i kosmetyce. Wykorzystuje się go m.in. do produkcji różnego rodzaju kremów, maści, żeli, masek oraz jako suplement diety. Z kolagenu wytwarza się nici chirurgiczne i kompresy do leczenia ran oraz oparzeń. Stosuje się je w chirurgii stomatologicznej, w leczeniu wad tkanki kostno-chrzęstnej, w chirurgii ortopedycznej i w leczeniu uszkodzeń rogówki.

Kolagenów mających hierarchiczną budowę jest wiele. W literaturze wymienia się 29 typów, mogących na każdym poziomie różnić się strukturą. Najpierw są aminokwasy, które łączą się ze sobą w długą nić. Ta nić skręca się, w zależności od tego, co znajduje się w jej otoczeniu. Kolejność aminokwasów tworzy strukturę pierwszorzędową, a ułożenie nici w przestrzeni stanowi strukturę drugorzędową. Następnie powstają struktury wyższych rzędów: trzeciorzędowa, kiedy nici łączą się, i czwartorzędowa, kiedy tworzą się fibryle i włókna. Kolagen, z którego wszyscy jesteśmy zbudowani, występuje w naszym organizmie na różnym poziomie organizacji. Im jest bardziej dojrzały, tym trudniej się rozpuszcza. Kiedy organizm się starzeje, między nićmi wytwarzają się wiązania poprzeczne. W konsekwencji między łańcuchami ubywa miejsca dla wody, w związku z czym np. skóra staje się przesuszona. Już na pierwszy rzut oka widać, że jest w złej kondycji. Aby to naprawić, nie wystarczy posmarować jej kremem z kolagenem, ponieważ przez skórę nie wszystko przenika. 

Skóra ma trzy podstawowe warstwy: naskórek, skórę właściwą i tkankę podskórną. Najwięcej kolagenu znajduje się w skórze właściwej, a więc w warstwie środkowej. Przez naskórek przenikają tylko cząsteczki małe, głównie o hydrofobowym charakterze, które są najbardziej zbliżone do tych występujących w naskórku. Kolagen jest natomiast cząsteczką dużą - nie przenika łatwo do skóry właściwej, więc jeśli występuje w kosmetykach, działa głównie powierzchniowo, nawilżająco. Zatrzymuje ubytek wody ze skóry i w ten sposób ją kondycjonuje. Jednak żeby dotarł głębiej, trzeba go zmodyfikować.

Długi łańcuch kolagenu można np. pociąć na mniejsze kawałki – tłumaczy prof. Sionkowska. - Hydrolizujemy go i otrzymujemy krótkie peptydy mające większą zdolność penetrowania i dotarcia do skóry właściwej. Kiedy już się tam przedostaną, mogą wbudować się w nasz zniszczony kolagen. Wyróżniamy kolagen endogenny i egzogenny. Endo-, czyli ten nasz, wewnętrzny i egzo-, czyli ten wprowadzany z zewnątrz. Wyzwanie polega na tym, żeby ten drugi był jak najbardziej zgodny i podobny do kolagenu endogennego.

Idealnie byłoby, gdyby udało się wprowadzić do skóry kolagen w naturalnej strukturze, ale bariera naskórka uniemożliwia mu wnikanie. Natomiast kiedy mamy otwartą ranę lub ubytek naskórka, materiały kolagenowe mogą łatwiej wbudować się  w istniejący w naszym organizmie kolagen. Czasami na krótko – stanowią rodzaj rusztowania, na którym będą rosły komórki regenerujące ubytek, a czasami - kiedy kolagen jest usieciowany i rozkłada się dłużej - to "rusztowanie" może stać się implantem. I w tym przypadku nie zastąpią go polimery.

Przeszkodą w szerokim stosowaniu kolagenu są bardzo wysokie koszty jego pozyskania. Dlatego pod koniec XX w. zaczęły ukazywać się publikacje, których autorzy zastanawiali się, co zrobić, by kolagen nie był taki drogi. Wtedy pojawiła się propozycja, by mieszać go z innymi polimerami. Dzisiaj trudno powiedzieć, która grupa zrobiła to jako pierwsza, gdyż niemal jednocześnie na rynku pojawiły się artykuły ze Stanów Zjednoczonych i Włoch. Założenie było takie, by utrzymać określony udział drogiego kolagenu i dodać do niego odpowiedni procent innego polimeru, zdecydowanie tańszego, ale pozwalającego zachować biozgodność nowo otrzymanego materiału, dobre właściwości mechaniczne i możliwość dalszego przetwarzania.

Prestiżowa publikacja

Prowadzone w ciągu ostatnich 20 lat badania nad mieszaninami kolagenu  z biopolimerami podsumowuje artykuł "Collagen blended with natural polymers: Recent advances and trends" napisany przez prof. Sionkowską na zaproszenie redaktorów prestiżowego czasopisma "Progress in Polymer Science". - Ten artykuł to nagroda za wieloletni wysiłek– mówi badaczka. – Do tego periodyku zaprasza się naukowców, którzy mają za sobą szereg publikacji i mogą krytycznie przejrzeć literaturę i zarysować perspektywy badawcze w danej dziedzinie na przyszłość. Udało mi się to zrobić w oparciu zarówno o badania prowadzone w Katedrze Chemii Biomateriałów i Kosmetyków UMK, jak i na świecie.

Badacze mieszali kolagen m.in. z poliwinylopirolidonem i polialkoholem winylowym. – W naszej  katedrze, wspólnie z prof. Timmem Wessem pracującym wtedy na University of Stirling, połączyliśmy kolagen z chitozanem i wykazaliśmy, że mieszanina uzyskuje lepsze właściwości przede wszystkim mechaniczne, zachowując biozgodność – mówi prof. Sionkowska.

Następnie do kolagenu można było inkorporować różne cząstki, m.in. hydroksyapatytu, magnetyczne, srebra i w ten sposób otrzymywać kompozyty o właściwościach biobójczych bądź magnetycznych. Te ostatnie mogą oddziaływać na nowo tworzoną tkankę, bo przykładając pole magnetyczne z zewnątrz i mając materiał magnetyczny w środku, można spróbować ułożyć fibrylogenezę (mechanizm, za pomocą którego organizm wytwarza włókienka kolagenowe) nowego kolagenu we właściwy sposób.

Przez to, że sam kolagen jest bardzo drogi, wytworzenie z niego biomateriałów i wprowadzenie ich na rynek medyczny jest trudne i długotrwałe. W kosmetologii jest nieco inaczej - w produktach kolagenu jest niewiele. Można również używać różnego rodzaju kolagenu. Najczystszy i najlepszy dla badaczy jest ten ze ścięgna ogona szczura.

Ale proszę sobie wyobrazić, ile trzeba by było ogonów, żeby wyprodukować dużą ilość materiału do zastosowań medycznych!  – zauważa prof. Sionkowska. – Co więcej, każdy szczur musiałby być hodowany w warunkach sterylnych. To bardzo duże przedsięwzięcie.

Kolagen używany w kosmetologii pozyskiwany jest głównie z rybich skór. Można też wykorzystywać w tym celu łuski, ale ze względu na małą wydajność, jest to nieopłacalne. Na spotkaniach kosmetologów bardzo często padają pytania, czy kolagen może być wegański. Naturalnie kolagen jest związkiem pochodzenia zwierzęcego, istnieje jednak możliwość syntetycznego wytworzenia peptydów podobnych do kolagenu zwierzęcego. Nie mają one takich właściwości jak kolagen i – mimo, że są produkowane na dużą skalę - cały czas ich cena jest wysoka.

Idzie nowe

Naukową nowością, która pojawiła się już w XXI w., są mieszaniny trójskładnikowe. Toruńska badaczka w Katedrze Chemii Biomateriałów i Kosmetyków realizowała grant, w ramach którego łączyła kolagen, chitozan i kwas hialuronowy. Są to biozgodne polimery, które występując samodzielnie, nie mają idealnych właściwości, ale wiele z nich można udoskonalić po zmieszaniu z innymi.

Naukowcy odchodzą od mieszanin dwuskładnikowych na rzecz trójskładnikowych, żeby uzyskać materiały inne od tych, które występują w naturze.

Do pewnego czasu naśladowaliśmy naturę, ale nauka pozwala nam być od niej trochę sprytniejszymi – uważa prof. Sionkowska. – Natura połączyła w skórze kolagen i elastynę, dając idealny kompozyt, który się sprawdza w naszym organizmie. Ale nie wiemy, dlaczego nie połączyła kolagenu z chitozanem.

Dodanie chitozanu do kolagenu nie tylko poprawia niektóre jego właściwości i daje tańszy materiał, ale też pozwala przechowywać go w "normalnych", łatwych do osiągnięcia warunkach. Tradycyjnie kolagen może być przechowywany tylko przez krótki czas i w niskiej temperaturze – wystarczy zostawić go na kilka dni, a czasem nawet godzin, aby uległ denaturacji, a zamiast żelu powstał rzadki płyn, z którego nie będzie można nawet otrzymać błony (stabilnej struktury skrzyżowanych włókien kolagenowych o wysokiej wytrzymałości mechanicznej).

Aby skutecznie wymieszać polimery naukowcy muszą przygotować roztwory mające ściśle określone proporcje. Do ich połączenia używają np. mieszadła magnetycznego lub homogenizatora, aby uniknąć ryzyka, że nowa substancja będzie miała zbyt dużą lepkość i się rozwarstwi. Polimery najlepiej mieszać w roztworze, bo wtedy ten proces jest najbardziej wydajny. Ale w roztworze występuje też rozpuszczalnik, więc trzeba jeszcze uwzględnić oddziaływania między polimerem a rozpuszczalnikiem. Zarówno kolagen jak i chitozan to biopolimery nierozpuszczalne w wodzie. Rozpuszczają się w słabych kwasach więc trzeba zdecydowanie obniżyć pH. W kosmetykach to nie problem, bo pH naszej skóry i tak jest kwaśne i wynosi około 5,5 więc roztwory kolagenowe o pH ok. 4,5 można bez obaw dodawać do kosmetyków. Natomiast w przypadku biomateriałów parametry kolagenu trzeba dostosować do konkretnego zastosowania. Do rozpuszczania kolagenu można używać różnych kwasów, ale najczęściej chemicy stosują kwas octowy, mlekowy i cytrynowy. Trzeba natomiast pamiętać, że aby uzyskać formy 3D, rozpuszczalnika trzeba się pozbyć. Najlepiej go odparować. I tak można zrobić z kwasem octowym mającym wysoką temperaturę wrzenia. Jest to substancja na tyle lotna, że w procesie liofilizacji można się jej łatwo pozbyć. Kwasy, które występują w postaci krystalicznej, jak np. kwas cytrynowy, są bardziej przyjazne człowiekowi, ale trudniej je potem usunąć z końcowego materiału.

Badania nad biopolimerami sięgają przełomu lat 60. i 70. ubiegłego wieku, kiedy  zaczęły na nie pozwalać dostępne narzędzia badawcze. Pod koniec lat 70. podjęto próby modyfikacji biopolimerów. Pierwsze mieszaniny pojawiły się w latach 90.

Oddziaływania między polimerami, które są kluczowe dla skutecznego łączenia ich w nowe substancje, można poznawać za pomocą różnych metod, np. wiskozymetrycznej, spektroskopii w podczerwieni, skaningowej kalorymetrii różnicowej i badań rentgenograficznych. Naukowcy sprawdzają oddziaływanie na poziomie molekularnym i wnioskują, czy z polimerów można otrzymać materiał trójskładnikowy. To może być gładki film, lub wyrafinowana forma 3D.

Technika w ostatnich latach dała naukowcom wiele nowych możliwości. Za pomocą spektroskopii w podczerwieni są w stanie badać materiały w ciele stałym. Bardzo rozwinęły się metody mikroskopowe pozwalające stwierdzić, czy skład  mieszaniny jest taki sam na każdym poziomie. Niezwykle ważna jest powierzchnia, która jest granicą styku decydującą o biozgodności, o tym, czy komórki będą przylegały do materiału, lub – na przykład w przypadku kosmetyków do włosów, czy adhezja między nimi a włosem będzie wystarczająca, by preparat zadział kondycjonująco.

Chociaż dzisiaj jeszcze nikt tego nie robi, prof. Sionkowska nie wyklucza, że za kilka lat naukowcy będą pracować nad mieszaninami czteroskładnikowymi. Badania kolagenu z pewnością będą zmierzały w kierunku wytwarzania struktur 3D o właściwościach powtarzalnych, umożliwiających produkcję na szeroką skalę.

Naukowcom zależy, by to, nad czym pracują, trafiło w przyszłości na sklepowe półki. Jednak droga nawet z najlepszych laboratoriów do marketów jest długa i kręta. Komercjalizacja materiałów biomedycznych wymaga skomplikowanej procedury certyfikacyjnej. Podobnie jest z kosmetykami. Mimo to prof. Sionkowska jest przekonana, że specjalny opatrunek, projektowany obecnie przez jej zespół w ramach grantu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, trafi do szpitali i aptek.

Prof. Sionkowska jest członkiem Komitetu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej Polskiej Akademii Nauk, jestem też członkiem zarządu Polskiego Stowarzyszenia Biomateriałów i członkiem Polskiego Towarzystwa Chemicznego.