The Cell-Nanomaterial Interactions and Their Application in Biomedicine

Abstract

Nanomaterials entered the biomedicine already at the beginning of the millennium and they still bring new and unique advances and possibilities for treatment, diagnosis and regeneration, thus they continue to facilitate the development of personalized medicine. Interactions at nanoscale allow until then unconceivable opportunities to influence processes on molecular level. The completely new perspectives of nanomaterial applications jointly raise attention concerning health and environmental safety issues. Although a lot of novel biomedical applications of nanomaterials have emerged, the vast majority is still found to be at the stage of a concept. The consistent basic in vitro research of elemental interactions of nanomaterial with biological environment should represent an essential part of its development. The concern of this thesis was to describe the cytocompatibility and interactions of two types of nanomaterials with different human cells. First, ultra-fine grain titanium was tested for prospective use in implant development. We confirmed its positive effect mainly on the growth of osteoblasts and recommended the further pre-clinical trials of this material in a form of a bone or dental implant. Second, several types of ultra-small (˂ 5 nm) nanoparticles of different origin (silicon, gold...

Nanomateriály vstoupily na pole medicíny již na počátku tisíciletí a od té do doby daly vzniknout řadě pokroků a novým možnostem v diagnostice, léčbě i regeneraci, čímž nadále umožňují rozvoj personalizované medicíny. Interakce v nano-měřítku umožňují dosud nepředstavitelné možnosti v ovlivňování procesů na molekulární úrovni. Nové perspektivy v aplikacích nanomateriálů zároveň zvyšují pozornost ohledně otázek bezpečnosti pro zdraví a životní prostředí. Ačkoliv se objevilo mnoho nových biomedicínských aplikací nanomateriálů, většina z nich se stále nachází ve fázi konceptu. Základní in vitro výzkum elementárních interakcí nanomateriálů s biologickým prostředím by tudíž měl být nezbytnou součástí jejich vývoje. Cílem této dizertační práce bylo popsat cytokompatibilitu a interakce dvou typů nanomateriálů s různými lidskými buňkami. Jako první byla testována vhodnost ultra-jemného titanu pro budoucí využití ve vývoji implantátů. Pozitivní efekt byl potvrzen především pro růst osteoblastů a materiál byl doporučen pro preklinické testování jako kostní či zubní implantát. Dále bylo popsáno několik druhů ultra-malých (˂ 5 nm) nanočástic o různém původu (křemík, zlato a platina) v různých podmínkách, abychom získali informace o jejich cytotoxicitě v závislosti na čase a koncentraci a také o jejich chování...