Grupa Bioelektrochemii realizuje prace badawcze w Centrum Elektroniki Organicznej i Nanohybrydowej, Centrum Biotechnologii, a także w Katedrze Fizykochemii i Technologii Polimerów Wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej. Do głównych obszarów zainteresowań należy wykorzystanie metod elektrochemicznych do badania układów biologicznych, elektrochemiczna synteza powłok i funkcjonalizacja powierzchni urządzeń biomedycznych, opracowanie układów kontrolowanego dostarczania leków oraz projektowanie biomateriałów. Członkowie grupy mają dostęp do laboratorium elektrochemicznego, mikrobiologicznego oraz biologii molekularnej.
Inżynieria tkanki nerwowej
Zaburzenia neurologiczne są trzecią najczęstszą przyczyną niepełnosprawności i przedwczesnej śmierci w Unii Europejskiej. Ostatnie badania wskazują, że w ciągu najbliższych lat liczba pacjentów neurologicznych będzie intensywnie rosnąć. Zaburzenia neurologiczne są najczęściej związane z nieprawidłowym dostarczaniem neuroprzekaźników – związków chemicznych, które przekazują sygnał z komórek nerwowych przez synapsy do komórek docelowych. Dla przykładu, padaczka, choroby Parkinsona i Alzheimera związane są z problemami w przekazywaniu następujących neuroprzekaźników: kwasu gamma-aminomasłowego, dopaminy oraz acetylocholiny. Obecne terapie tych zaburzeń obejmują stosowanie leków, które regulują wydzielanie poszczególnych neuroprzekaźników. Niestety, powszechnym ograniczeniem takiego leczenia jest fakt, że leki podawane są ogólnoustrojowo, a więc mogą oddziaływać na cały organizm niosąc ze sobą ryzyko pojawienia się poważnych skutków ubocznych.
Celem naszych badań jest zaprojektowanie elektroaktywnych materiałów mogących służyć jako rusztowania nerwowe oraz systemy kontrolowanego uwalniania neuroprzekaźników.
Wybrane publikacje:
- Krukiewicz K., Czerwińska-Główka D., Turczyn R., Blacha-Grzechnik A., Vallejo-Giraldo C., Erfurt K., Chrobok A., Faure-Vincent J., Pouget S., Djurado D., Biggs M.J.P.: Flexible, Transparent, and Cytocompatible Nanostructured Indium Tin Oxide Thin Films for Bio-optoelectronic Applications. ACS Advanced Materials and Interfaces 15 (2023) 45701–45712.
- Smołka S., Skorupa M., Fołta K., Banaś A., Balcerzak K., Krok D., Shyntum D.Y., Skonieczna M., Turczyn R., Krukiewicz K.: Antibacterial coatings for electroceutical devices based on PEDOT decorated with gold and silver particles, Bioelectrochemistry 153 (2023) 108484.
- Imae I, Krukiewicz K.: Self-doped conducting polymers in biomedical engineering: Synthesis, characterization, current applications and perspectives, Bioelectrochemistry 146 (2022) 108127.
- Vallejo-Giraldo C., Krukiewicz K., Biggs M.J.P.: Understanding the Mechanobiology of Gliosis May Be the Key to Unlocking Sustained Chronic Performance of Bioelectronic Neural Interfaces, Advanced NanoBiomed Research 2021, 2100098.
- Czerwińska-Główka D, Skonieczna M., Barylski A., Golba S., Przystaś W, Zabłocka-Godlewska E, Student S, Cwalina B, Krukiewicz K: Bifunctional conducting polymer matrices with antibacterial and neuroprotective effects, Bioelectrochemistry 144 (2022) 108030.
- Skorupa M., Więcławska D., Czerwińska-Główka D., Skonieczna M., Krukiewicz K.: Dopant-Dependent Electrical and Biological Functionality of PEDOT in Bioelectronics, Polymers, 13 (2021) 1948.
- Czerwińska-Główka D, Przystaś W, Zabłocka-Godlewska E, Student S, Cwalina B, Łapkowski M, Krukiewicz K: Electrically-responsive antimicrobial coatings based on a tetracycline-loaded poly(3,4-ethylenedioxythiophene) matrix, Materials Science and Engineering: C 123 (2021) 112017.
- Krukiewicz* K, Britton J, Więcławska D, Skorupa M, Fernandez J, Sarasua JR, Biggs MJP: Electrical percolation in extrinsically conducting, poly(ε-decalactone) composite neural interface materials, Scientific Reports 11 (2021) 1295.
- Tadayyon G, Krukiewicz K, Britton J, Larrañaga A, Vallejo-Giraldo C, Fernandez-Yague M, Guo Y, Orpella-Aceret G, Li L, Poudel A, Biggs* MJP: In vitro analysis of a physiological strain sensor formulated from a PEDOT:PSS functionalized carbon nanotube-poly(glycerol sebacate urethane) composite, Materials Science and Engineering C, 121 (2021) 111857.
Biofunkcjonalizacja powierzchni
Gwałtowny rozwój elektroniki, inżynierii, biologii i medycyny sprawił, że na ich pograniczu powstała nowa dyscyplina naukowa, bioelektronika. Urządzenia bioelektroniczne rejestrują sygnały wysyłane przez organizm i „tłumaczą” je na język komputerowy, dzięki czemu mogą służyć do monitorowania zmian stanów fizjologicznych. Urządzenia te są również w stanie regulować funkcje organizmu poprzez sterowaną zewnętrznie stymulację elektryczną. Bioelektronika jest coraz bardziej popularna w medycynie, szczególnie w inżynierii tkanki nerwowej, zalicza się do niej bowiem m.in. implanty ślimakowe czy urządzenia do stymulacji nerwowej stosowane w leczeniu padaczki lub paraliżu, a także urządzenia do głębokiej stymulacji mózgu używane przy leczeniu choroby Parkinsona. Mimo że bioelektronika stosowana jest już niemal powszechnie, nie jest pozbawiona ograniczeń, do których należy przede wszystkim rozwijanie się stanów zapalnych i powstanie blizn towarzyszące wszczepianiu implantu, które w znacznym stopniu ograniczają skuteczność terapii. W związku z tym prace naukowców skupione są obecnie na opracowywaniu nowych materiałów, które mogą służyć jako przewodzące i biozgodne pokrycia ochronne na elektrody.
Celem naszych badań jest opracowanie nowego typu powłok ochronnych stosowanych w urządzeniach bioelektronicznych mających kontakt z tkanką nerwową, poprzez biofunkcjonalizację organicznych monowarstw na powierzchni elektrod. Takie powłoki powstają z elektrochemicznie osadzonych monowarstw, tworzących cienkie i jednorodne warstwy na całej powierzchni elektrody, w sposób znaczący zmieniając jej właściwości fizykochemiczne i zwiększając biozgodność. Poprzez następującą modyfikację powierzchni związkami o działaniu biologicznym stworzyliśmy bibliotekę powłok, dzięki którym możliwe będzie zlikwidowanie ograniczeń związanych z problemami w przesyłaniu impulsów elektrycznych na styku tkanki nerwowej z układem elektronicznym.
Wybrane publikacje:
- Patel T, Skonieczna M, Turczyn R, Krukiewicz K: Modulating pro-adhesive nature of metallic surfaces through a polypeptide coupling via diazonium chemistry. Scientific Reports 13 (2023) 18365.
- Krukiewicz K., Czerwińska-Główka D., Turczyn R., Blacha-Grzechnik A., Vallejo-Giraldo C., Erfurt K., Chrobok A., Faure-Vincent J., Pouget S., Djurado D., Biggs M.J.P.: Flexible, Transparent, and Cytocompatible Nanostructured Indium Tin Oxide Thin Films for Bio-optoelectronic Applications. ACS Advanced Materials and Interfaces 15 (2023) 45701–45712.
- Smołka S., Skorupa M., Barylski A., Basiaga M., Krukiewicz K.: Improved adhesion and charge transfer between PEDOT:PSS and the surface of a platinum electrode through a diazonium chemistry route, Electrochemistry Communications 153 (2023) 107528.
- Patel T., Skorupa M., Skonieczna M., Turczyn R., Krukiewicz K.: Surface grafting of poly-L-lysine via diazonium chemistry to enhance cell adhesion to biomedical electrodes, Bioelectrochemistry 152 (2023) 108465.
- Patel T., Huang J., Krukiewicz K.: Multifunctional organic monolayer-based coatings for implantable biosensors and bioelectronic devices: Review and perspectives, Biosensors and Bioelectronics: X, 2023, 100349
Elektro-mikrobiologia
Naturalnym zachowaniem mikroorganizmów jest ich skłonność do przyczepiania się do wilgotnych powierzchni i tworzenie śluzowatych struktur połączonych pozakomórkowymi substancjami polimerowymi, które nazywamy biofilmem. Ponieważ tworzenie się biofilmu jest zjawiskiem powszechnym, ma ono znaczący wpływ na różne gałęzie przemysłu, m.in. przemysł chemiczny, budowlany, maszynowy, spożywczy, kosmetyczny i medyczny. Dla przykładu, tworzenie się biofilmu może skutkować zanieczyszczeniem produktów spożywczych i urządzeń medycznych. Z drugiej strony, obecność biofilmu może być wymagana do prawidłowego funkcjonowania technologii mikrobiologicznych, m.in. mikrobiologicznych ogniw paliwowych lub superkondensatorów działających na bazie drobnoustrojów. Z tego powodu umiejętność kontrolowania tworzenia się biofilmów jest niezwykle pożądana.
Celem naszych badań jest opracowanie nowego typu powłok, które będą stosowane do kontroli wzrostu biofilmu bakteryjnego. Powłoki te są zbudowane z polimerów przewodzących – związków chemicznych, których właściwości fizykochemiczne i morfologię można łatwo modyfikować poprzez zmianę ich stopnia utlenienia. Ponadto, polimery przewodzące mogą być również wykorzystane jako nośniki związków biologicznie czynnych, np. antybiotyków lub środków promujących adhezję. W wyniku stymulacji prądem elektrycznym, polimery przewodzące są w stanie uwalniać te związki w sposób wysoce kontrolowany, umożliwiając kontrolę adhezji i żywotności bakterii.
Wybrane publikacje:
- Abdullah, Krukiewicz K. Development of Electrically-Conducting Biohybrid Materials Based on Electroactive Bacteria and Conjugated Polymers: Review and Perspectives. Electrochimica Acta 468 (2023) 143191
- Smołka S., Skorupa M., Fołta K., Banaś A., Balcerzak K., Krok D., Shyntum D.Y., Skonieczna M., Turczyn R., Krukiewicz K.: Antibacterial coatings for electroceutical devices based on PEDOT decorated with gold and silver particles, Bioelectrochemistry 153 (2023) 108484.
- Krukiewicz K., Kazek-Kęsik A., Brzychczy-Włoch M., Łos M.J., Ateba C.J., Mehrbod P., Ghavami S., Shyntum D.Y.: Recent Advances in the Control of Clinically Important Biofilms, International Journal of Molecular Sciences 2022, 23(17), 9526.
- Karon K., Zabłocka-Godlewska E, Krukiewicz K.: Recent advances in the design of bacteria-based supercapacitors: current limitations and future opportunities, Electrochimica Acta 430 (2022) 141068
- Czerwińska-Główka D, Skonieczna M., Barylski A., Golba S., Przystaś W, Zabłocka-Godlewska E, Student S, Cwalina B, Krukiewicz K: Bifunctional conducting polymer matrices with antibacterial and neuroprotective effects, Bioelectrochemistry 144 (2022) 108030.
- Czerwińska-Główka D, Przystaś W, Zabłocka-Godlewska E, Student S, Cwalina B, Łapkowski M, Krukiewicz K: Electrically-responsive antimicrobial coatings based on a tetracycline-loaded poly(3,4-ethylenedioxythiophene) matrix, Materials Science and Engineering: C 123 (2021) 112017.
- Czerwińska-Główka D., Przystaś W., Zabłocka-Godlewska E., Student S., Cwalina B., Łapkowski M., Krukiewicz* K.: Bacterial surface colonization of sputter-coated platinum films, Materials 13 (2020) 2674.
