Polymery v medicíně Teach article

Preložila Zdena Tejkalová. Téma polymery je často omezeno na hodiny chemie. Projekt Establish nabízí některé praktické aktivity ke zkoumání těchto materiálů a některých z jejich lékařských aplikací.

Polymery jsou využívány v
každodenních výrobcích, jako
třeba jednorázové plenky

Obrázok so súhlasom SCA
Svenska Cellulosa Aktiebolaget;
zdroj obrázku: Flickr

Polymery používáme každý den, například ve formě plastů, nátěrů a papíru a také v produktech jako jsou plenky či šampóny. Polymery jsou tvořeny velkými molekulami, vytvořenými z opakujících se strukturních jednotek.

Následující aktivity byly vytvořeny, aby studentům pomohly propojit makroskopický svět materiálů, které můžeme vidět s mikroskopickým světem částic (atomů a molekul), které vidět nemůžeme, to vše s využitím reálných aplikací. Využívají učení založené na dotazech, kdy studenti jsou povzbuzováni, aby rozvíjeli své myšlenky na základě pozorování praktických činností a poté je vyzkoušeli v nových souvislostech.

Pacient podstupující dialýzu
Obrázok so súhlasom
quecojones; zdroj obrázku:
Flickr

V první aktivitě, studenti ve věku 13-15 zkoumají difúzi kapalin různými typy polymerních membrán (Pracovní list 1). Potom uvažují o využití membrán v medicíně: jak fungují lidské ledviny a jak může dialyzační přístroj převzít jejich funkce (Pracovní list 2). Zvláštní důraz je kladen na porozumění tomu, proč jsou některé molekuly během dialýzy z těla odstraněny a některé ne. Studenti by také mohli předpovídat, co by se stalo, kdyby dialyzační kapalinou byla voda, což jim umožní porozumět osmóze.

Ve druhé aktivitě studenti ve věku 15-17 vytvoří membrány z polyvinylchloridu (PVC) a zkoumají jejich fyzikální i chemické vlastnosti. Potom vyrobí a otestují antibakteriální PVC membránu (Pracovní list 3). Jako rozšíření této aktivity, studenti mohou zkoumat membrány z různých změkčovadel nebo zkoumat antibakteriální účinnost membrán, obsahujících různé kovy nebo různá množství kovů.

Všechny tři pracovní listy lze stáhnout ve Wordu nebo PDF z webových stránek Science in Schoolw8.

Membrány s neviditelnými dírami

V této aktivitě by se studenti měli zamyslet nad neviditelným světem atomů a molekul a s pomocí této aktivity, dojdou k pochopení částicové povahy hmoty. Tyto aktivity mohou být využity k dokázání existence molekul a také toho, že molekuly mohou mít různou velikost. Studenti budou zkoumat difuzi částic různými typy membrán, poté budou moci své poznatky aplikovat při úvahách o ledvinách a dialýzew1.

Obrázok so súhlasom Peter
Asquith; zdroj obrázku: Flickr

Studenti se již setkali s použitím sít k rozdělení směsí a s nutností použít síta s vhodně velkými otvory. K základnímu seznámení s plastovými membránami, vyučující může využít srovnání s balením potravin, studenti sami mohou potom zkoumat různé membrány. Vyučující by měl v diskuzi navrhnout možná vysvětlení získaných výsledků. Pokud je třeba, pomáhá rozvíjet myšlenku, že existují částice různých velikostí a membrány s rozdílně velkými otvory.

Myšlenkou byla využít škálu folií/membrán např. levné plastové sáčky, obaly od potravin či potravinové tašky ke zkoumání prostupu částic jódu různými membránami. Studenti by měli provést několik experimentů, jak je navrženo v Tabulce 1. Vyučující by je měl vyzkoušet předem, aby se ujistil, že dávají dostatečně odlišné výsledky.

Trubice číslo

Membrána

Tabulka 1: Možné membrány ke zkoumání „děr“
1

Bez membrány

2

Jam-pot cover

3

Plastový sáček nebo igelitová folie

4

Latexová rukavice

Studenti by se měli naučit:

  • Vyvozovat závěry z pozorování
  • Vysvětlit jevy pomocí existence neviditelných děr a pohybu částic
  • Rozlišovat alternativní vysvětlení a debatovat se spolužáky

 

Studentský pracovní list 1: membrány s neviditelnými otvory

Pomůcky

  • Roztok jódu (cca 0.05 M)
  • Roztok škrobu (cca 0.12% w/v)
  • Sadu různých plastových folií

Postup

Zkoumejte pohyb částic jódu různými typy membrán. Z každé membrány si vytvořte malý sáček a umístěte ho do trubice se škrobovým roztokem, jak je vidět na Obrázku 1. Do každého sáčku nalijte trochu roztoku jódu a pozorujte, co se stane.

Obrázek 1: Uspořádání při experimentu
Obrázok so súhlasom Establish project
  1. Zaznamenejte svá pozorování do Tabulky 2.
    1 2 3 4

Barva na začátku

V malém sáčku

       

V trubici

       

Barva na konci

V malém sáčku

       

V trubici

       
  1. Dokážete vysvětlit, co se děje?
  2. Dokážete zařadit každou z trubic (1-4) do některého z diagramu (A-D) v Obrázku 2?
Obrázek 2: Která situace odpovídá vašim testovacím trubicím?
Obrázok so súhlasom Establish project
  1. Co by se stalo, kdyby roztoky v trubicích byly opačně: kdyby roztok menších molekul byl v trubici a roztok větších molekul v membráně (Obrázek 3)? Svá očekávání napište do Tabulky 3.
Obrázek 3: Co by se stalo, kdyby roztoky byly zaměněné?
Obrázok so súhlasom Establish project
Tabulka 3: Vaše očekávání, kdyby roztoky byly zaměněné
    1 2 3 4

Barva na začátku

V malém sáčku

       

V trubici

       

Barva na konci

V malém sáčku

       

V trubici

       


Studentský pracovní list 2: ledviny a dialýza

Lidská ledvina je úžasný organ s dvěma základními funkcemi: údržba vodní rovnováhy v těle a vylučování močoviny, solí a vody. Každý den ledviny přefiltrují z krve 180 l kapaliny – většina je reabsorbována společně s živinami, které tělo potřebuje, jako např. glukóza a aminokyseliny. Ze 180 l přefiltrované kapaliny, ledviny produkují zhruba 2 l moči, která obsahuje odpadní produkty, např. pro tělo toxickou močovinu. Moč se před vyloučením hromadí v močovém měchýři.

Jak fungují ledviny. Klikněte na obrázek pro zvětšení. Pro extra velkou verzi, klikněte zde.

a) Pohled na ledvinu. Filtrace probíhá ve 3 milionech nefronů, kam se natlakovaná krev dostává z kapilár.Obrázok so súhlasom Piotr Michał Jaworski; zdroj obrázku: Wikimedia Commons

b) Detail struktury nefronu. Malé molekuly a vody jsou filtrovány z krve otvory ve stěně Bowmanova váčku. V dalších částech nefronu jsou reabsorbovány molekuly, které tělo potřebuje
Obrázok so súhlasom http://osmoregulation-apbio3.wikispaces.com

  1. Proč si myslíte, že se v moči nenachází žádné plazmatické proteiny, i když jsou v roztoku v krevní plazmě?
  2. Následkem některých zranění či chorob se v krvi objevují krevní buňky. Co by mohlo být příčinou?

Při selhání ledvin následuje smrt přibližně za čtyři dny, protože močovina se hromadí a tělo ztrácí kontrolu nad vodní rovnováhou. Lidský život lze zachránit pomocí dialýzy, což obvykle znamená návštěvu nemocnice třikrát týdně. Během dialýzy, což přibližně trvá šest až osm hodin, krev z pacientova těla odtéká trubicí do přístroje, kde prochází podél filtru, nazývaného dialyzační membrána. Na druhé straně membrány protéká speciální dialyzační roztok. Složení tohoto roztoku zajišťuje vylučování močoviny z krve, ale glukóza ani aminokyseliny membránou neprojdou. Krev – bez močoviny- se potom vrací do těla.

  1. Proč nejsou krevní buňky a plazmatické proteiny odstraněny z těla během dialýzy?
  2. Močovina, glukóza a aminokyseliny mají podobnou velikost molekul. Proč močovina prochází dialyzační membránou a glukóza ani aminokyseliny ne?
  3. Co by se stalo, kdyby jako dialyzační roztok byla použita voda?
  4. Jak by mohla být dialýza využita k odstranění přebytku solí?

 

Stříbrem impregnované PVC
folie vykazující rozdíly v
místě inhibice stříbrným
(Ag)povlakem

Obrázok so súhlasom James
Chapman, Dublin City
University

Antibakteriální PVC

Během této aktivity student vyrobí membrány z PVC a budou zkoumat vliv změkčovadla na fyzikální a chemické vlastnosti membrány (tyto membrány mohou být také využity v první aktivitě). Potom si vyrobí membránu z PVC obsahující stříbrné částice a její inkubací přes noc otestují antibakteriální vlastnosti.

Jako další stupeň zkoumání by studenti mohli lépe pochopit antimikrobiální vlastnosti membrány zabudováváním různých koncentrací stříbrných částic do membrán a zjišťování vlivu koncentrace na inhibovaná místa, která pozorují. Typické příklady jsou ukázány vpravo.

Nepatogenní Escherichia coli může být získána z American Tissue Culture Collection (ATCC)w2. BAA 1427 je nepatogenní náhradní kmen vhodný pro použití v tomto experimentu.

 

Studentský pracovní list 3: výroba a zkoumání antibakteriálního PVC

Polymer polyvinylchlorid (PVC) je levný a odolný plast, využívaný na potrubí, cedule a oblečení. Pro zvýšení pružnosti a snadnější manipulaci jsou do něj často přidávána změkčovadla. V této úloze vytvoříte PVC membránu se změkčovadlem i bez něj a potom porovnáte jejich fyzikální a chemické vlastnosti.

Antimikrobiální membrány jsou využívány v mnoha medicinálních technologiích a jsou vyráběny zabudováváním nanočástic nebo mikročástic stříbra či dalších kovů do polymerů. V přítomnosti kyslíku (na vzduchu) a vody elementární stříbrné částice reagují za vzniku stříbrných iontů (Ag2+), které mohou rozbít buněčnou stěnu, inhibovat buněčnou reprodukci a narušit metabolismus některých bakterií, virů, řas a hubw3, w4.

Výchozí suroviny

  • Rozpouštědlo: THF (tetrahydrofuran, (CH2)4O)
  • Práškový PVC
  • Dibutyl-sebakát nebo jiné změkčovadlo
  • Dusičnan stříbrný (AgNO3)
  • Citronan trisodný (Na3C6H5O7)
  • Živný agar
  • Bakteriální kultura (např. E. coli v živné půdě)
  • Plotýnka
  • Magnetické míchadlo
  • 75 ml kádinky
  • Skleněná podložka (např. kádinka, hodinové sklo nebo podložní sklíčko)
  • Odměrný válec
  • Pasteurova pipeta
  • Špachtle
  • Petriho misky
  • Očkovací smyčky

Postup

Bezpečnostní poznámka: Vše by mělo probíhat v digestoři. Tetrahydrofuran je vysoce hořlavá kapalina, která může způsobit vážné podráždění očí. Zacházejte s ní opatrně, pouze v digestoři a v rukavicích.

1) Výroba PVC bez změkčovače

  1. Použijte plotýnku, magnetické míchadlo a zahřívejte 20 ml rozpouštědla.
  2. Za stálého míchání pomalu přidávejte 1.5 g PVC prášku.
  3. Po zhruba 10 minutách by roztok měl zvizkóznět. Sundejte kádinku z plotýnky.
  4. Vyndejte magnetické míchadlo a v co nejtenčí a rovnoměrné vrstvě nalijte několik mililitrů roztoku PVC na skleněnou podložku (vnitřek či vnějšek kádinky nebo podložní sklíčko či hodinové sklo. Abyste si zajistili skutečně slabou vrstvu, otáčejte skleněnou podložkou, dokud je roztok horký.
  5. Nechte podklad a PVC v digestoři než se rozpouštědlo odpaří, zabere to zhruba 15 minut. PVC membránu lze potom snadno vyjmout ze skleněného podkladu.

2) Výroba PVC se změkčovadlem

Vytvořte čtyři membrány opakováním postupu seshora, každou s rozdílným množstvím změkčovadla, přidaného do zahřívaného rozpouštědla (viz Tabulka 4).

Vzorek číslo

PVC (g)

Rozpouštědlo (ml)

Dibutyl-sebakát (ml)

Tabulka 4: Tvorba PVC membrán s různým množstvím změkčovadla
1 1.5 20 0.5
2 1.5 20 1
3 1.5 20 2
4 1.5 20 3
  1. Porovnejte svých pět vzorků PVC membrán. Jaký efekt má změkčovadlo na plast?
  2. Co si myslíte, že se stane s plastem po přidání většího množství změkčovadla?
  3. Po zhlédnutí obrázků ze skenovacího elektronového mikroskopu (SEM), byly vaše odpovědi na otázku 2 správné?
  4. Tyto membrány mohou bát využity v předchozí aktivitě („Membrány s neviditelnými dírami“) pro zjištění relativnosti velikosti „děr“.
SEM snímky PVC: a) neměkčený, b) s 0.5 ml změkčovadla a c) s 2 ml změkčovadla. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázky so súhlasom projektu Establish
Silver micro- and
nanoparticles in a PVC
membrane. Kliknutím na
obrázok ho zväčšite

Obrázok so súhlasom the
Establish project

3) Výroba antibakteriálního PVC

Výroba antibakteriálního PVC, obsahujícího stříbrné částice, vyžaduje membránu s velkými mezerami, což je důvod proč použijeme změkčovadlo. Stříbro je přidáno ve formě dusičnanu stříbrného, který je pak redukován citronanem sodným.

  1. Použijte plotýnku, magnetické míchadlo a zahřívejte 20 ml rozpouštědla.
  2. Přidejte 2.5 ml změkčovadla, potom přidávejte 1.5 g PVC prášku.
  3. Přidejte 2.5 ml 10 mM dusičnanu stříbrného a míchejte 1-2 min.
  4. Roztok rozdělte do dvou 75 ml kádinek. Rychlými krouživými pohyby pokryjte vnitřek, čímž získáte membránu ve tvaru kádinky. Ujistěte se, že v membráně nemáte žádné trhlinky, musí udržet vodu.
  5. Nechte kádinku v digestoři, aby se rozpouštědlo odpařilo, potom opatrně vyjměte membrány. (To je docela obtížné; pokud to uděláte ve dvou, vaše šance na úspěch se zvýší).
  6. Připravte 5mM roztok citronanu sodného a opatrně ho nalijte do jedné membrány ve tvaru kádinky. Měl by projít přes membránu (držte ji nad kádinkou), reagovat s dusičnanem stříbrným za vzniku stříbrných nano- nebo mikročástic.
  7. Zaznamenejte barevnou změnu na membráně.
  8. Nechte membránu vyschnout v digestoři. Typický SEM obrázek (vpravo) ukazuje přítomnost elementárního stříbra dispergovaného na PVC membráně.

Nyní můžete zkoumat antibakteriální vlastnosti vyrobených membrán.

  1. Připravte si agarovou misku s bakteriální kulturou: na Petriho misku se živným agarem umístěte 100 µl bakteriální kultury (např. E. coli v živné půdě) a použijte očkovací smyčku k rozetření po celé misce.

 

  1. Na podložku dejte přibližně 1 cm2 stříbrem impregnované PVC membrány.
    Souběžně, kvůli srovnání, umístěte na podložku další tři kousky PVC membrány, z nichž jedna je neošetřená stříbrem.
  2. Nechte podložku inkubovat přes noc při 37 °C, potom změřte inhibiční zónu kolem každého kousku membrány.

Bezpečnostní poznámka: Jako u všech mikrobiálních studií, celou dobu by mělo být používáno sterilizované náčiní (buď sterilizováno v autoklávu nebo tlakovém hrnci, nebo namočené v etanolu a pak vyžíhané). To zahrnuje i nůžky, kterými střiháte membránu. Abyste zabránili křížové kontaminaci, omyjte očkovací smyčku před použitím antibakteriálním prostředkem.

Antibakteriální vlastnosti těchto membrán je činí užitečnými při ošetřování ran a popálenin, včetně infekcí bakteriemi jako například methicilin-rezistentní Staphylococcus aureus (MRSA) či E. coli.

  1. Proč jsou antibakteriální PVC membrány užitečné v léčbě infekcí MRSA?
  2. Které další možné antibakteriální PVC membrány lze nalézt?

Projekt Establish

Tyto aktivity jsou mezi těmi vyučovacími aktivitami, rozvíjenými projektem Establish, EU financovaným projektem na podporu šíření povědomí a používání badatelské metody ve výuce přírodních věd pro studenty základních a středních škol (ve věku 12-18 let). Skupina více než 60 partnerů z 11 evropských zemí pracuje společně na rozvoji a adaptaci učebních aktivit ve třídách napříč celou Evropou.

Aktivity v tomto článku jsou převzaty z platformy věnované vyučování nazvané “Objevování mezer”. V době, kdy šel tento článek do tisku, byly k dispozici také materiály o zvuku a invaliditě, dále jsou plánována témata věnovaná kosmetice, chitosanu, forenzním vědám, fotochemii, obnovitelným zdrojům energie a zobrazovacím metodám v medicíně. Pro vice informací a pro stažení kompletních jednotek navštivte stránky projektu Establishw5.

Nanočástice v medicíně

Velmi důležité je využívání nanočástic ve zdravotnické péči. Pochopení dopadu nanočástic na buňky a tkáně je zásadní pro bezpečnost, spolehlivou diagnózu a léčbu chorob. Mnoho medicínských nanočástic je založeno na kovech a rentgenové paprsky Evropského synchrotronového radiačního přístroje (ESRF)w6 se hodí pro sledování například interakce jednotlivých nanočástic se zmrazenými buňkami v nanoměřítku (Lewis et al., 2010).

ESRF je člen EIROforumw7, vydavatele Science in School.


 

Poďakovanie

Aktivity popsané v tomto článku jsou založené na informacích z Wilms et al. (2004; Pracovní list 1), od Alison Graham z Dublin City University, Irsko (Pracovní list 2), a od Laura Barron a James Chapman z Dublin City University (Pracovní list 3).

Download

Download this article as a PDF

References

  • Lewis DJ et al. (2010) Intracellular synchrotron nanoimaging and DNA damage / genotoxicity screening of novel lanthanide-coated nanovectors. Nanomedicine 5(10): 1547-1557. doi: 10.2217/nnm.10.96
  • Wilms M et al. (2004) Molekulares Sieben: Mit Einmachfolie ins Diskontinuum. Chemkon 11(3):127-130. doi: 10.1002/ckon.200410011

Web References

  • w1 – The Merlot Health Sciences portal má užitečné animace dialýzy. Najdete je zde: http://healthsciences.merlot.org/images/18loop.gif
  • w2 – ATCC je světové neziskové centrum biozdrojů a výzkumná organizace, která poskytuje biologický materiál, technické služby a vzdělávací programy. Více zde: www.atcc.org
  • w3 – Stříbrné nanočástice mohou zabíjet prospěšné bakterie při čištění odpadních vod. Science Daily. www.sciencedaily.com nebo použijte přímý odkaz: http://tinyurl.com/4mq4pv
  • w4 – Povrchové modifikace povrchu stříbrných částic a jejich interakce s živými buňkami. Nano Werk. www.nanowerk.com nebo použijte přímý odkaz: http://tinyurl.com/68fojm9
  • w5 – Pokud se chtete dozvědět více o projektu Establish a stáhnout si podklady (další budou časem přibývat), navštivte webové stránky: http://establish-fp7.eu
  • w6 – Mezinárodní výzkumné centrum v Grenoblu, ESRF vytváří vysoce zářivé rentgenové paprsky, které využívají tisíce vědců na celém světě. Více zde: www.esrf.eu
  • w7 – Pro více informací o EIROforum, jděte na: www.eiroforum.org
  • w8 – Pracovní listy k této aktivitě mohou být staženy ve Wordu nebo PDF zde:

Review

Zajímali jste se někdy o to, jak funguje dialýza? Jak lze plasty využít k filtraci nežádoucích látek z vašeho těla? A co antibakteriální plasty? Tento článek představuje roli polymerů v dialyzačních přístrojích využívaných k filtraci krve a k ošetření ran.

Experimenty pro mladší studenty, popsané v tomto článku, jim pomohou porozumět polymerům a jejich využití při dialýze. V aktivitách pro starší studenty, třída si vyrobí své vlastní PVC – jeden z nejběžnějších polymerů dneška – a bude zkoumat jejich antibakteriální vlastnosti.

Aktivity jsou vhodné do hodin chemie i biologie, zaměřené na polymeraci, osmózu, difúzi a exkreci. Mohly by být následovány diskuzí o širším využití polymerů, selektivně propustných membránách nebo o exkreci.


Andrew Galea, Giovanni Curmi Post-Secondary School Naxxar, Malta




License

CC-BY-NC-SA