Παρασκευή νανοσυνθέτων βιοδραστικού γυαλιού/πολυ(D,L γαλακτικού οξέος) και in vitro μελέτη της βιοσυμβατότητας

Abstract

Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας ήταν η παρασκευή νανοσυνθέτων βιοδραστικού γυαλιού (BG)/πολυ(D,L-γαλακτικού οξέος) (PDLLA) και η in-vitro μελέτη της βιοσυμβατότητας με εμβάπτιση σε διάλυμα προσομοίωσης των σωματικών υγρών (Simulated Body Fluid, SBF). Τα δοκίμια παρασκευάσθηκαν με τεχνική τήγματος σε θερμόπρεσσα. Στη συνέχεια τοποθετήθηκαν σε διάλυμα SBF για την ανίχνευση της βιοενεργότητας των νανοσυνθέτων μέσω ελέγχου σχηματισμού υδροξυαπατίτη στην επιφάνειά τους. Ταυτόχρονα έγινε χαρακτηρισμός της αποδόμησης του πολυμερούς. Παρασκευάστηκαν νανοσύνθετα με αναλογίες σε βιοδραστικό γυαλί/πολυ(D,L-γαλακτικό οξύ) 0/100, 10/90, 30/70, 50/50 (w/w) και παρέμειναν στο διάλυμα SBF για διαφορετικά χρονικά διαστήματα (0, 7, 21, 70 ημέρες). Για τον έλεγχο σχηματισμού υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι SEM/ΕDAX, XRD, FT-IR και Raman. Για τη μελέτη της αποδόμησης των νανοσυνθέτων έγινε χαρακτηρισμός τους με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης με ημιτονοειδή ρυθμό θέρμανσης (ADSC) καθώς και με θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA). Επίσης στο υγρό εμβάπτισης των δοκιμίων έγιναν μετρήσεις του pH καθώς και μετρήσεις με φασματοφωτομετρία υπεριώδους-ορατού (UV-Vis), για τον έλεγχο της παρουσίας γαλακτικού οξέος που απελευθερώνεται από την αποδόμηση του πολυμερούς. Τα αποτελέσματα από τη μελέτη της επιφάνειας των δοκιμίων με την τεχνική SEM/EDAX έδωσαν ενδείξεις δημιουργίας ενώσεων ασβεστίου και φωσφόρου στην επιφάνεια των εμβαπτισμένων νανοσυνθέτων βιοδραστικού γυαλιού/PDLLA, σε σύγκριση με τα δοκίμια αναφοράς (καθαρό PDLLA), καθώς και αύξηση με το χρόνο εμβάπτισης της αναλογίας Ca/P. Η παρουσία ενώσεων του ασβεστίου και φωσφόρου ήταν πιο έντονη στα νανοσύνθετα του PDLLA με περιεκτικότητα 50% σε BG, στα οποία μάλιστα ο λόγος Ca/P που υπολογίσθηκε πλησιάζει το 1,67, δηλαδή την αναλογία που αντιστοιχεί στη σύνθεση του υδροξυαπατίτη. Η μέθοδος XRD έδειξε ότι υπάρχει κορυφή για 2θ=30ο, για όλα τα εξεταζόμενα νανοσύνθετα για χρόνους εμβάπτισης σε SBF 21 και 70 ημέρες. Η κορυφή στην περιοχή αυτή αντιστοιχεί στην παρουσία υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια των δειγμάτων, και δεν εντοπίσθηκε στα δείγματα του καθαρού PDLLA, γεγονός που συνδέεται με τη δράση του βιοδραστικού γυαλιού στο σύνθετο υλικό. Η παρουσία πολλαπλών και αλληλεπικαλυπτόμενων κορυφών στα φάσματα που ελήφθησαν με φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT-IR) δεν έδωσαν σημαντικές πληροφορίες για τη δημιουργία υδροξυαπατίτη. Μέσω της φασματοσκοπίας Raman, που χρησιμοποιήθηκε ως συμπληρωματική της φασματοσκοπίας υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT-IR), παρατηρήθηκε ότι υπάρχει κορυφή περί τα 968 cm-1 στα δείγματα των νανοσυνθέτων 50/50 βιοδραστικό γυαλί/PDLLA μετά τις 21 ημέρες εμβάπτισης, γεγονός το οποίο αποτελεί ένδειξη σχηματισμού υδροξυαπατίτη. Αρχικά, οι αλλαγές κατά την αποδόμηση των εξεταζόμενων δειγμάτων μελετήθηκαν οπτικά. Μετά τις 7 ημέρες εμβάπτισης των δειγμάτων σε SBF τα δοκίμια απέκτησαν πιο έντονο λευκό χρώμα, έγιναν λιγότερο διαφανή. Η μεταβολή στην αδιαφάνεια των δειγμάτων υπήρξε εντονότερη με την αύξηση του χρόνου εμβάπτισης. Επίσης παρατηρήθηκε διόγκωση των δειγμάτων. Από τη μέθοδο ADSC παρατηρήθηκε ότι η ενσωμάτωση του βιοδραστικού γυαλιού στην πολυμερική μήτρα δεν παρουσίασε κάποια σημαντική επίδραση στα θερμικά χαρακτηριστικά του πολυμερούς και συγκεκριμένα στις τιμές της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Τg). Το γεγονός αυτό συμφωνεί με τη διεθνή βιβλιογραφία όπου αναφέρεται ότι το βιοδραστικό γυαλί παρεμποδίζει για κάποιο χρονικό διάστημα την αποδόμηση της βιοαποικοδομήσιμης πολυμερικής μήτρας (PLGA). Μέσω της μεθόδου TGA σε αδρανές περιβάλλον αζώτου, διαπιστώθηκε ότι η ενσωμάτωση του βιοδραστικού γυαλιού οδηγεί στη μείωση της θερμοκρασίας έναρξης (Tonset) και του μέγιστου ρυθμού (Tpeak) της θερμικής αποδόμησής του. Η μείωση αυτή είναι ανάλογη με τη συγκέντρωση του βιοενεργού γυαλιού που ενσωματώνεται στο PDLLA. Η εισαγωγή του υλικού αυτού πιθανά μειώνει τη συνοχή του καθαρού πολυμερούς, ειδικά στην περίπτωση μειωμένης διεπιφανειακής συνάφειάς του με το PDLLA, και επομένως κάνει πιο εύκολη τη θερμική του αποδόμηση. Επιπλέον, είναι πιθανό τα σωματίδια του βιοενεργού γυαλιού να έχουν καταλυτική δράση στη θερμική διάσπαση του PDLLA. Σε όλα τα εξεταζόμενα δείγματα η εμβάπτιση στο SBF προκαλεί αύξηση στις θερμοκρασίες θερμικής αποδόμησης του PDLLA, ιδιαίτερα στα δείγματα που εμβαπτίστηκαν για 70 ημέρες. Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με μηχανισμούς αναδιοργάνωσης των μοριακών αλυσίδων στο διογκωμένο πολυμερές, το οποίο μετά την απομάκρυνση από το διάλυμα SBF και την ξήρανσή του, αποκτά μεγαλύτερη αντίσταση στη θερμική αποδόμηση. Επίσης παρατηρήθηκε ότι η θερμική αποδόμηση δοκιμίων καθαρού PDLLA λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια και ότι όσο αυξάνεται ο χρόνος εμβάπτισης μειώνεται η παρουσία του υλικού που είναι πιο ευπαθές και αποδομείται στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών. Το γεγονός αυτός συνδέεται με την υδρολυτική αποδόμηση του πολυμερούς που αντιστοιχεί στην περιοχή αυτή. Από τις καμπύλες του ρυθμού της θερμικής αποδόμησης σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία διαπιστώνεται ότι η θερμική αποδόμηση του PDLLA των νανοσυνθέτων του βιοδραστικού γυαλιού είναι πιο ομαλή, σε σύγκριση με το μη ενισχυμένο πολυμερές. Μετρώντας το pH του διαλύματος SBF στο οποίο ήταν τοποθετημένα τα δοκίμια, σε ημερήσια βάση, παρατηρήθηκε πτώση του pH για τα δείγματα μέχρι 30% BG. Το όξινο περιβάλλον που δημιουργήθηκε υποδηλώνει την απελευθέρωση γαλακτικού οξέος [CΗ3CH(OH)COOH] από την υδρολυτική αποδόμηση του βιοαποικοδομήσιμου πολυμερούς PDLLA. Στα νανοσύνθετα με περιεκτικότητα 50% σε ΒG παρουσιάστηκε αρχικά μια μικρή πτώση και στη συνέχεια μια ελαφρά αύξηση του pH. Αυτό πιθανά να συσχετίζεται με τη διάλυση των αλκαλικών ιόντων που προέρχονται από τα σωματίδια βιοδραστικού γυαλιού που τοπικά αντισταθμίζουν την οξίνιση του μέσου που οφείλεται στα όξινα προϊόντα της αποδόμησης του πολυμερούς. Συνεπώς, για όλες τις περιεκτικότητες σε BG υπήρξε αποδόμηση του πολυμερούς PDLLA. Με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα συμπεραίνεται ότι τα νανοσύνθετα υλικά του βιοδραστικού γυαλιού με μήτρα PDLLA κινητοποιούν μηχανισμούς ανάπτυξης υδροξυαπατίτη στην επιφάνειά τους μετά από εμβάπτιση σε διάλυμα προσομοίωσης σωματικών υγρών, χωρίς να υποβαθμίζεται η θερμική τους σταθερότητα. Επομένως θα μπορούσε να προταθεί η χρήση τους με κατάλληλο σχεδιασμό στην κατασκευή ικριωμάτων στον τομέα της μηχανικής των ιστών, όπως για παράδειγμα στην ανάπλαση οστών.

The fabrication of nanocomposite bioactive glass/poly(D,L-lactic acid) and the in-vitro study of its biocompatibility were the key objectives of the present thesis. The samples were created by melting and were later immersed in SBF (Simulated Body Fluid) solution to detect their bioactivity and polymer degradation. They were constructed in bioactive glass/poly(D,L-lactic acid) ratios of 0/100, 10/90, 30/70 and 50/50 respectively and the immersion time varied from 0 days to 7, 21 and 70 days. Before and after the SBF treatment, the samples were SEM, XRD, FT-IR and Raman characterized to detect the hydrooxyapatitis (HA) and optically, DSC/ADSC, TGA, pH, UV-Vis and weight characterized for the polymer degeneration. The results seem to confirm that an HA layer was indeed shaped on the surface of the bioactive glass/poly(D,L-lacic acid) nanocomposits after a week of SBF immersion and for 50% relative content in bioactive glass. In addition, the enclosure of bioactive glass nanoparticles to the poly(D, L-lactic acid) did not alter the thermic characteristics of the polymer but it did decrease its thermal stability. The above study could find applications in biomedicine research and tissue engineering, for scaffolds creation.