Βιομιμητική ανάπτυξη σύνθετων βιοκεραμικών νανοϋδροξυαπατίτη - βιοπολυμερών με ελεγχόμενες ιδιότητες για βιολογικές εφαρμογές.

Μπρασινίκα, Δέσποινα

dc.contributor.author	Μπρασινίκα, Δέσποινα	el
dc.date.accessioned	2016-01-13T07:43:29Z
dc.date.available	2016-01-13T07:43:29Z
dc.date.issued	2016-01-13
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41838
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1908
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Νανοϋδροξυαπατίτης	el
dc.subject	Βιοπολυμερή	el
dc.subject	Τρισδιάστατα ικριώματα	el
dc.subject	Έλεγχος βιοσυμβατότητας	el
dc.subject	Βιομιμητική σύνθεση	el
dc.subject	Bioinspired synthesis	en
dc.subject	Nanohydroxyapatite	el
dc.subject	Biopolymers	el
dc.subject	3D scaffolds	el
dc.subject	Biocompatibility evaluation	el
dc.title	Βιομιμητική ανάπτυξη σύνθετων βιοκεραμικών νανοϋδροξυαπατίτη - βιοπολυμερών με ελεγχόμενες ιδιότητες για βιολογικές εφαρμογές.	el
dc.title	Biomimetic synthesis of hybrid bioceramics of nanohydroxyapatite and biopolymers with controllable properties for biological applications	en
dc.contributor.department	Μεταλλουργίας και Τεχνολογίας Υλικών	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Νανο-βιοϋλικά	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-09-25
heal.abstract	Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη υβριδικών νανοσύνθετων υλικών, αποτελούμενων από κρυστάλλους υδροξυαπατίτη και βιομορίων με στόχο την κατασκευή εμφυτεύσιμων υλικών με αυξημένη βιοσυμβατότητα και βιολειτουργικότητα. Τα υβριδικά αυτά υλικά μπορούν να αποτελέσουν μία ενδιαφέρουσα εναλλακτική για την κατασκευή εμφυτευμάτων, τα οποία θα μπορούν να αντικαταστήσουν επιτυχώς ένα κατεστραμμένο ή φθαρμένο τμήμα των φυσικών οστών και να παρέχουν μηχανική υποστήριξη μέχρι ο οργανισμός να αναπλάσει μόνος του τον πάσχοντα ιστό. Με στόχο την ανάπτυξη κρυστάλλων υδροξυαπατίτη με μορφολογία παρόμοια με τον απατίτη του φυσικού οστού, υιοθετήθηκε μία καινοτόμος βιομιμητική μέθοδος, η οποία χρησιμοποιεί το κολλαγόνο ή τη χιτοζάνη σε συνδυασμό με τη συνεργιστική δράση του αμινοξέος L-αργινίνη σαν μήτρα για την ανάπτυξη νανοκρυστάλλων υδροξυαπατίτη σε θερμοκρασία 40oCκαι αλκαλικές τιμές pH. Τα βιοπολυμερή κολλαγόνο και χιτοζάνη χρησιμοποιήθηκαν με στόχο τη ρύθμιση της διεργασίας πυρήνωσης και ανάπτυξης των κρυστάλλων του υδροξυαπατίτη, ωστόσο η κινητική της κρυσταλλικής ανάπτυξης επηρεάζεται από την παρεμποδιστική δράση που ασκούν τα αμινοξέα. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε η L-αργινίνη, η οποία ενισχύει την ανάπτυξη του υδροξυαπατίτη αλλά παράλληλα δρα παρεμποδιστικά στη μεγέθυνση των κρυστάλλων του. Στη συνέχεια, με τη μέθοδο της λυοφιλίωσης αναπτύχθηκαν τρισδιάστατα πορώδη υβριδικά ικριώματα από τα νανοσύνθετα αυτά υλικά. Τα ικριώματα αυτά θα αποτελέσουν τη μήτρα για τον σχηματισμό νέων ιστών, κατ’ επέκταση θα πρέπει να εμφανίζουν εσωτερικό πορώδες δίκτυο με υψηλό ποσοστό διασυνδεσιμότητας και μηχανική σταθερότητα. Ωστόσο, η ανάπτυξη πορώδους δομής, επιδρά αρνητικά στις μηχανικές ιδιότητες του ικριώματος και για τον λόγο αυτό, τα ικριώματα υπέστησαν χημική διασύνδεση είτε με γλουταραλδεΰδη ή με γενιπίνη, μέσω της ανάπτυξης χημικών δεσμών με τις αμινομάδες των βιομορίων τους. Τέλος αναπτύχθηκαν επικαλύψεις υδροξυαπατίτη σε υποστρώματα τιτανίου για την τροποποίηση των επιφανειακών τους ιδιοτήτων και την αύξηση της βιοδραστικότητάς τους. Τα δοκίμια του τιτανίου υπέστησαν επεξεργασία της επιφάνειάς τους για να επιτευχθεί βέλτιστη πρόσφυση του υδροξυαπατίτη σε αυτά. Η χημική σύστασηκαι οι ιδιότητες των υβριδικών νανοκόνεων του υδροξυαπατίτη μελετήθηκαν με Φασματοσκοπία Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR), Φασματοσκοπία Raman, Μέτρηση ζ-δυναμικού και ιξωδομετρία. Η τελική μορφολογία των κρυστάλλων του υδροξυαπατίτη εξετάστηκε με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης Ηλεκτρονίων (ΤΕΜ). Παράλληλα, η εσωτερική αρχιτεκτονική των τρισδιάστατων ικριωμάτων αναλύθηκε με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης(SEM) και Υπολογιστική Μικροτομογραφία Ακτίνων Χ (micro-CT), ενώ οι νανομηχανικές τους ιδιότητες μελετήθηκαν μέσω δοκιμών νανοσκληρομέτρησης. Στην περίπτωση των επικαλύψεων, μετρήθηκε η τραχύτητα των δειγμάτων ενώ η ομοιογένεια και η ποιότητα της επικάλυψης ελέγχθηκε με το SEM.Επιπλέον, η βιολογική συμπεριφορά τόσο των υβριδικών νανοκόνεων όσο και των υβριδικών ικριωμάτων και των επικαλύψεων, εξετάστηκε με την ανάπτυξη κυτταρικών καλλιεργειών. Ο έλεγχος της κυτταρικής βιωσιμότητας και της κυτταροτοξικότητας πραγματοποιήθηκε με το πρωτόκολλο AlamarBlue, με τη χρωματομετρική μέθοδο ΜΤΤ και με διπλή χρώση των κυττάρων με φθορίζουσες ουσίες (FDA/PI). Η ικανότητα των κυττάρων για διαφοροποίηση αναλύθηκε μέσω ιστοχημικού χρωματισμού των κυττάρων με αλκαλική φωσφατάση (ALP), ενώ η μορφολογία των κυττάρων κατά την ανάπτυξη τους στα εκάστοτε υλικά παρατηρήθηκε με το SEM. Η καινοτόμος βιομιμητική τεχνική που αναπτύχθηκε στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή οδήγησε στησύνθεση πλακόμορφων κρυστάλλων εξαγωνικού υδροξυαπατίτη με μέση τιμή μεγέθους 10-20x10-20 nm και μορφολογία παρόμοια με αυτή των κρυστάλλων του απατίτη του φυσικού οστού. Οι παράμετροι σύνθεσης επηρεάζουν τη μορφολογία των κρυστάλλων που αναπτύσσονται καθώς και την ομοιογένεια της δομής τους. Συγκεκριμένα, αποδείχθηκε ότι η περιεκτικότητα του βιοπολυμερούς (κολλαγόνο ή χιτοζάνη), δρα παρεμποδιστικά στη διαδικασία της ανάπτυξης των κρυστάλλων του υδροξυαπατίτη. Αυξάνοντας την περιεκτικότητα του εκάστοτε βιοπολυμερούς, μειώνεται η μέση τιμή μεγέθους των κρυστάλλων που αναπτύσσονται. Επιπλέον, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασε το γεγονός ότι η σύνθεση ομοιόμορφων κρυστάλλων υδροξυαπατίτη κατέστη δυνατή μόνο παρουσία της L-αργινίνης. Πράγματι, η αργινίνη εμφανίζει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της τελικής μορφολογίας των κρυστάλλων του υδροξυαπατίτη, καθώς ενώνεται τόσο με ανιονικές όσο και κατιονικές επιφάνειες. Δημιουργούνταιέτσι επιπλέον σημεία πυρήνωσης λόγω πρόσδεσης της καρβοξυλικής της ομάδας με τα ιόντα ασβεστίου (Ca2+) και της γουανιδινικής της ομάδας με τα φωσφορικά ιόντα (PO42-). Τα βέλτιστα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν όταν η σύνθεση των κρυστάλλων του υδροξυαπατίτη πραγματοποιήθηκε παρουσία του κολλαγόνου και της L-αργινίνης, υπό τη μοριακή αναλογία Ca/P=1/1, δηλαδή περίσσεια ορθοφωσφορικού οξέος. Η περίσσεια οξέος επιδρά στην καλύτερη διασπορά των ινών του κολλαγόνου και οδηγεί στην ανάπτυξη εξαγωνικών πλακιδίων με πολύ στενό εύρος κατανομής του μεγέθους τους με μέση τιμή τα 10x10 nmκαι πάχος λίγων νανομέτρων. Εν συνεχεία, καθορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες λυοφιλίωσης για την ανάπτυξη των τρισδιάστατων υβριδικών ικριωμάτων, τα οποία εμφάνισαν διασυνδεδεμένο πορώδες δίκτυο με διπλή κατανομή μεγέθους των πόρων. Η χημική διασύνδεση των βιομορίων με γλουταραλδεΰδη ή γενιπίνη, αύξησε τη μηχανική σταθερότητα των ικριωμάτων και την αντοχή τους σε υδατικό περιβάλλον. Ωστόσο, τα βέλτιστα αποτελέσματα απέφερε η χημική διασύνδεση τους με γενιπίνη σε ποσοστό 1%, παρέχοντας ικριώματα με πόρους μεγέθους από 50 έως 100 μm, και μικρότερους από 5 έως 10 μm. Η προσθήκη τέλος της υδρογέλης ζελατίνης μετά τη χημική διασύνδεση βελτίωσε περαιτέρω τη μηχανική συμπεριφορά των παραγόμενων ικριωμάτων, εμφανίζοντας παρόλα αυτά μεγαλύτερο μέσο μέγεθος πόρων. Τα υλικά αυτά αποτελούν απόλυτα βιοσυμβατά υλικά και προάγουν την ανάπτυξη, τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση των κυττάρων στο εσωτερικό τους, όπως απέδειξε η βιολογική τους μελέτη. Μετά από 7 ημέρες καλλιέργειας, τα κύτταρα ξεκίνησαν τη διαδικασία εναπόθεσης προϊόντων εξωκυττάριας μήτρας στα ικριώματα που περιέχουν κολλαγόνο, αποδεικνύοντας έτσι ότι έχουν ξεκινήσει τη διαδικασία της διαφοροποίησής τους. Τέλος, επιτεύχθηκε η ανάπτυξη ενός ομοιόμορφου στρώματος υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια των δοκιμίων τιτανίου έπειτα από παραμονή τους σε διάλυμα SBF για χρονικό διάστημα 10 ή/και 14 ημερών, το οποίο ενίσχυσε σημαντικά τη βιοσυμβατότητά τους. Η μηχανική κατεργασία των δοκιμίων του τιτανίου βελτίωσε σημαντικά την ποιότητα της επιφάνειάς τους, ενώ η χημική κατεργασία οδήγησε σε αύξηση της πρόσφυση τους υδροξυαπατίτη σε αυτά.	el
heal.sponsor	H παρούσα έρευνα έχει συγχρηματοδοτηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) – Ερευνητικό Χρηματοδοτούμενο Έργο: Ηράκλειτος ΙΙ. Επένδυση στην κοινωνία της γνώσης μέσω του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου.	el
heal.advisorName	Τσετσέκου, Αθηνά	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Τσιούρβας, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Πάνιας, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Αγαθόπουλος, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Τριαντάφυλλος	el
heal.committeeMemberName	Καρούσης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	428
heal.fullTextAvailability	true