Research on the potential use of foundations produced by three-dimensional printing and electrospinning in cartilage reconstruction

Biomaterials are substances which could be applied in medicine to contribute an organ or its part, because of their properties and the structure. Biomaterials admitted to the contact with living organism must be high biocompatible and be nontoxic to it as well as not cause other adverse reactions. For this purpose, research should be run to determine the toxicity, biocompatibility and other effects of the biomaterial to the cells.In this work the properties of carbon nanofibers and polymer biomaterials, made of polycaprolactone, cultured with murine macrophages and normal human chondrocytes, were compared. The cytotoxicity, oxidative stress, cell differentiation and viability after expose to biomaterials were studied.This work consists of two parts: theoretical and experimental.In the theoretical part, the issues regarding articular cartilage – its construction, structure, properties, difficulties in regeneration have been presented. There are described aspects of biomaterials – their definition, classification and application in medicine. This work also characterizes carbon and polymer biomaterials, their properties and application.In the experimental part, the influence of carbon nanofibers produced at the AGH University of Science and Technology and polycaprolactone polymer biomaterials produced at the ATH University were investigated.Obtained results shown that carbon nanofibers do not reduce the number of cells and their viability but cause an oxidative stress in macrophages. They also lead to chondrocytes differentiation. Polymer biomaterials are not cytotoxic to chondrocytes, but they do not significantly affect their differentiation.

Biomateriały są substancjami, które mogą być stosowane w medycynie w celu zastąpienia danego organu bądź jego części, ze względu na swoje właściwości oraz strukturę. Biomateriały, które dopuszczone zostały do kontaktu z żywym organizmem, muszą charakteryzować się wysoką biozgodnością, czyli nie być dla niego toksyczne oraz nie wywoływać innych efektów ubocznych. W tym celu przeprowadza się badania, mające na celu określenie cytotoksyczności oraz biozgodności biomateriału przed wprowadzeniem go do organizmu ludzkiego.W niniejszej pracy porównano właściwości nanowłókien węglowych oraz biomateriałów polimerowych, wykonanych z polikaprolaktonu w kontakcie z makrofagami oraz komórkami chrzęstnymi w warunkach in vitro. Zbadano cytotoksyczność oraz wpływ biomateriałów na żywotność komórek, powstawanie stresu oksydacyjnego i różnicowanie.Niniejsza praca składa się z dwóch części: teoretycznej oraz eksperymentalnej. W części teoretycznej poruszone zostały zagadnienia związane z tkanką chrzęstną – jej budowa, struktura, właściwości oraz trudności z regeneracją. Poruszono także aspekty związane z biomateriałami – definicja, klasyfikacja i zastosowanie w medycynie. Scharakteryzowano materiały węglowe oraz polimerowe, podano przykłady ich zastosowania. Przedstawiono także niektóre aspekty, związane z odpowiedzią tkanek i całego organizmu przeciwko implantom.W części eksperymentalnej zbadano biozgodność biomateriałów węglowych – nanowłókien wytworzonych w Akademii Górniczo - Hutniczej w Krakowie oraz polimerowych – wykonanych z polikaprolaktonu, wytworzonych w Akademii Techniczno - Humanistycznej w Bielsku-Białej.Przeprowadzone badania wykazują, że nanowłókna węglowe nie powodują spadku liczebności i żywotności komórek, lecz wywołują u makrofagów stres oksydacyjny. Wspierają również różnicowanie się chondrocytów. Biomateriały polimerowe nie wpływają cytotoksycznie na komórki chrzęstne, ale z kolei w większości nie wpływają w sposób istotny na ich różnicowanie.