Superfici e Interfaccie

Superfici e Interfaccie
Possiamo dividere le interazioni in
Molecolare (scale piccole, 3-15 A)-chimica
Macromolecolare (scale 15-300 A)-meccanica.
Quale interazione avviene prima?
Interazioni superficie- mezzo
biologico
Many interactions are known to occur at the metal-fluid interface
- ion exchange
- protein absorption and conformational changes
- could be problematic (e.g., coagulation and immune responses)
1
Interface between Biomaterial and
Body
If titanium is implanted, a layer of titanium oxide is likely formed and
expected to interact with biological environment.
L’energia superficiale di una superficie o la tensione superficiale è
il lavoro richiesto per formare una area unitaria di superficie
nuova. Joules/m2 o N/m. Simbolo γ
Il liquido con maggiore energia superficiale è acqua. :
72 mN/m (veramente c’è un altro piu alto, quale è?)
Invece il lavoro di coesione è 2*tensione superficiale perche faccio sparire 2 superfici
A
A
A
A
O per 2 superfici diverse= γA+ γB- γAB (tensione A+tensione B- tensione di
interfaccia AB)
2
1 dyne/cm=
1 mJ/m2 =
1mN/m
Metalli-alto, polimeri-basso
Ad esempio per tagliare il metallo devo fare tanta fatica
• Di solito le superfici sono sferiche per
minimizzare la tensione superficiale.
aria
acqua
Legami
liberi
Le interzioni superficiali sono dovuti a una minimizzazione di energia superficiale
3
La molecola
si deforma
σs= tensione di interfaccia solido/gas
σl= tensione di interfaccia liquido/gas
γsl= tensione di interfaccia liquido/solido
Di solito quando si
parla di tensione
superficiale, si intende
rispetto a aria
L’equazione di Young è un bilancio di forze
σs= γsl+ σlcosθ
Di solito quando si parla di tensione
superficiale, si intende rispetto a aria
• Ricordiamo pero che sono le stesse cose:
• Tensione superficiale=energia superficiale
(per unita di area)= tensione di
interfaccia=energia di interfaccia
• Importante è sapere qual’è l’ambiente.
4
Se c’è adesione, l’angolo è sempre meno di 180. Minore è
l’angolo, maggiore è la deformazione.
Nel caso di una goccia di acqua e una superficie ,
idrofobico
idrofilico
Spesso si fa la misura del angolo di
una bolla di aria nel acqua.
5
⎛ 2H ⎞
− 1⎟
⎝ D
⎠
θ = cos −1 ⎜
⎡
⎛ 2L ⎞⎤
⎟⎥
⎝ S ⎠⎦
θ = 180° − 2 ⎢ tan −1 ⎜
⎣
Esiste una tensione di interfaccia ottimale per l’adsorbimento proteico
6
Esiste anche un angolo di contatto ottimale per
l’adsorbimento proteico
idrofilico
idrofobico
Cosa succede se una proteina
adsorbe?
• Struttura della proteina determina la sua funzione
• Assorbimento determina una deformazione o
denaturazione.
• Cambia struttura –puo anche illicitare un risposta
immunologica. In alcuni casi diventa anche iperattiva
7
L’albumina
• La parte interna della molecola è
idrofobica. Se la superficie è idrofobica, la
proteina si srotola per mostrare la parte
interna all superficie (perche cosi
minimizza l’energia di interfaccia).
• L’interazione è dinamica e spesso
reversibile.
• Albumina è la prima proteina ad essere
adsorbita.
L’effetto di Vroman
•
•
Vroman dimostro che assorbimento di siero su una superficie è un processo
dinamico in cui prima arrivano le proteine a basso peso e alta
concentrazione.
Sono poi sostituite da proteine piu grosse di cui ne sono poche, ma che
hanno una maggiore affinità per la superficie.
Albumina
IgG
Fibrinogeno
Fibronectina
Vitronectina
(mg/ml)
42
28
3.0
0.3
0.2
PM
68,500
145,000
340,000
240,000
60,000
8
Ma perchè le proteine devono
adsorbire?
• Per diminure energia superficiale
• Per aumentare entropia
Questo succede sempre. Ad esempio una superfice pulita diventa sporca per la
deposizione di particelle. Una superficie con alta energia (tensione), viene
contaminata (o rivestita) da molecole con tensione bassa.
Bisogna ricordare che la tensione o energia
superficiale dipende dal mezzo in cui ci troviamo.
• In acqua, una superficie idrofobica ha una energia
interfaciale elevata rispetto a una superficie idrofilica.
• Quindi se ci sono proteine dentro la soluzione, si
adsorbono per diminure l’energia.
Proteina si
denatura per
esporre i suoi
gruppi apolari alla
superficie
9
E perche è necessario studiarlo e
sopratutto controllarlo?
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dispositivi medici, sopratutto cardiovascolari.
Impianti (stent, protesi anca)
Coagulazione ha tutto che fare con un cambiamento di interfaccia
Anche il “foreign body response”
Fouling: come tenere la barca pulita
Saggi enzimatici in fase solida (ELISA, sensore glucosio)
Farmacia
Drug delivery: il veicolo
Ingegneria tessutale, coltura cellulare, biotecnologie
Filtrazione e separazione
**(in alcuni casi bisogna evitare l’assorbimento, e in alcuni
casi è necessario promuoverlo senza daneggiare o
modificare la proteina)
Modifiche Superficiali
• Per modificare la superficie senza cambiare le proprieta
del volume (prop meccaniche ecc)
• E’ necessario che la modifica sia di uno spessore di
pochi micron
Modifiche per
¾ Pulire
¾ Inibire adsorbimento proteica
¾ Promuovere adesione proteica (e quindi cellulare)
¾ Ridurre trombogenicità
¾ Ridurre attrito
¾ Ridurre corrosione ecc
10
2 tipi di modifiche, 2 tipi di
superficie
• Covalente
• Adsorbimento fisico
Ci sono altri metodi
(entrappolamento nel gel ecc) e
l’uso del sistema avidina biotina
k=10-15 M, biotin- COOH, avidin 4
siti di legame, autoassemblaggio
• Aumentare adesione
• Inibire adesione (non
fouling es per
antitrombogenicità)
idrofilico
idrofobico
PEG e PEO: per superfici
idrofilici
• HO-(CH2-CH2-O)n-H - lineare
• PEG liquido, PEO solido.
• PEG è molto idrofilico e molto
biocompatibile perche il corpo pensa
che sia acqua
• Pluronic è PEO-PPO-PEO, una catena
più idrofobica nel mezzo
11
Altri modi per ottenere una
superficie idrofilica
Qui pero l’albumina viene sostituita
da Fn nel sangue
Metodo della medtronic
Questo è come il metodo della
sorin con fosforilcolina
Questo sarebbe ideale
per dispositivi
cardiovascolari
Gas ionizzato impatta sulla superficie e
ionizza la superficie esponendo gruppi
reattivi. Biosogna subito fare reagire la
superfice altrimenti si ‘sporca’.
12
Adsorbimento fisico
• Basato su forze deboli van der Waals,
elettrostatiche
• Reversibile
• Solo per applicazioni a breve termine
• Coating non uniforme
• Poco aggressivo
• Facile
Legame covalente è il contrario
Legame covalente
• Prima la superficie del substrato
biomateriale deve essere modificato per
avere gruppi reattivi. Il biomateriale è di
solito inerte. (avra gruppi CH3, o ossido)
Stop
here
13
Trattamenti per aumentare la
emocompatibilità dei CEC
medtronic
trillium
Eparina legato covalentemente
medtronic
carmeda
Eparina legato covalentemente a un
estremo
Jostra (baxter)
safeline
Non si sa, sara PEG (non covalente)
Jostra
bioline
Legame 80% covalente, base
polypeptidica
jostra
Duraflo II
Legame elettrostatico con eparina
sorin
physio
PC-PMMA
Sorin
mimesis
PC-PMMA
sorin
Sma rt
Aggiunta di un additivo al materiale
terumo
xcoating
Rivestimento polimero idrofilico
PMEA
medos
rheoparin
Eparina legata ad un polimero
14
Metodi usati per legare eparina a
superfici polimeriche
• Adsorbimento fisico sfruttando la carica
negativa di eparina: bisogna trattare la
superfice
• Legame covalente: bisogna trattare la
superficie
• Entrappolamento fisico: la superficie viene
rivestita con un polimero poroso e la
eparina viene entrappolata dentro
Coating
• Biopassivo (PC, PEG o altra sostanza
idrofilico
• Bioattivo (eparina, anticorpi anti integrine)
Coating biomimetici
15
I fattori che influiscano adesione
proteica
Carica
Durezza
Rugosita
Proprieta meccancihe
Concentrazione
Forma
Densita
Area
Temperatura
Flusso, viscosità
pH
Idrofilicita, energia
superficiale
• glutaraldehyde – lega la molecola al termine
amino di un peptide.
• carbodiimide (EDC), - lega la molecola con
gruppo aminico al termine carbossilico del
peptide (sarebbe un pseudo legame peptidico)
• succinimide estere (e.g. MBS, SMCC) – lega
gruppi aminci liberi e residui Cys
• isothiocyanate – usato anche per legare
proteine con fluorofori (residui ammiinci)
16
Superfici con gruppi OH esposti (es. Metalli, vetro, silicio)
dopo essere trattato con acidi forti per rompere il legame
ossido o sale possono reagire con gruppi Cl, Si,
P-nitro benzoyl
chloride
nitrofenolo
Riduzionecondizioni
basici forti
dichlorometoxytriazina
Questi sono crosslinker
In assenza di
eterofunzionali (molto reattivi
H2O, perche?
e sensibili a ossidazione)
R-NH2 è la proteina
I silani
• Una vasta classe di molecole R1-Si-R2
che viene usato per legare materiali
inorganici a molecole organiche.
• Usate anche per fare i sol gel
(OH)3-Si-CH2-X3 + Inorganico-OH
Inorganico-0-Si-CH2-X3
In presenza di acqua.
Come per tutte le reazioni superficiali bisogna stare molto attento ai
tempi e concentrazioni per assicurare la formazione di un monostrato
17
OTS
18
Dopo la silianizzazione, o
attivazione
idrosssuccinimide
Thionly chloride:
19
Film complessi multistrati:
autoassemblaggio
Come modificare questi?
PLA
Il polyurethane è molto piu flessibile
20
Il grafting con PEG è comune
+
HO-(CH2-CH2-O)n-H
graft
1. Trovare l’angolo di contatti di questi 4
biomateriali (goccie di aria in H2O). Quali sono
gli angoli corrispondenti nell’aria? (con goccia
di H2O).
Materiale
height (mm)
width
(mm)
Sup eparinizzata
46
39
Silicone
35
56
PTFE
28
60
PVC
45
49
21
2. Stimare la massima densità superficiale
(ng/cm2) di albumina. Suppore una
superficie non rugose e altamente
adesiva. Come cambia la densità con la
rugosità della superficie?
PM albumina 60 000, dimensioni sfera circa
5 nm diametro.
Che assunzioni facciamo?
Area 1
albumina=pi*r2=3.14*(2.5
*10-7)2=1.9*10-13cm2
Area 1 albumina=pi*r2=3.14*(2.5*10-7)2=1.9*10-13cm2
1 albumina occupa 1,9.10-13 cm2, qunati stnaoo su 1 cm2?
1/.9*10-13=5.2*1012 molecole su 1 cm2
1 mole= 6.02.1023 molecole
5.2.1012/6.02.1023 =8.6*10-12 moli /cm2
10 m tubo, diametro 1 cm
Area totale circuito CEC
1000 cm*3.14*0.52=785 cm2
Totale albumina sui tubi 5.2*1012*785=4*1015 molcule
5000 ml sangue con 1 mg/ml di albumina. Peso totale di
albumina =5000 mg=5g
60000 g =6.02*1023 moleocle
5g sono ? Moleocle
5/60000 moli =8.3*10-5
5*1019 molecole di albumina nel sangue
22