Παρασκευή νανοσυνθέτων πολυ(γαλακτικού) οξέος/τιτανίας και μελέτη των λειτουργικών τους ιδιοτήτων για το σχεδιασμό ικριωμάτων μηχανικής των ιστών

Μικροπούλου, Μαρία; Mikropoulou, Maria

dc.contributor.author	Μικροπούλου, Μαρία	el
dc.contributor.author	Mikropoulou, Maria	en
dc.date.accessioned	2017-12-12T10:00:00Z
dc.date.available	2017-12-12T10:00:00Z
dc.date.issued	2017-12-12
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46080
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14781
dc.rights	Default License
dc.subject	Πολυ(γαλακτικό) οξύ	el
dc.subject	Τιτανία	el
dc.subject	Νανοσύνθετα	el
dc.subject	UV αποδόμηση	el
dc.subject	Ικριώματα	el
dc.subject	Nanocomposites	en
dc.subject	Scaffolding	en
dc.subject	Poly (lactic) acid	en
dc.title	Παρασκευή νανοσυνθέτων πολυ(γαλακτικού) οξέος/τιτανίας και μελέτη των λειτουργικών τους ιδιοτήτων για το σχεδιασμό ικριωμάτων μηχανικής των ιστών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	ΠΟΛΥΜΕΡΗ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/f96eaecad7005b860741ecc59d4835f7428015fd
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-09-29
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε παρασκευή νανοσυνθέτων πολυ(L-γαλακτικού οξέος) (PLLA) με διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) και μελετήθηκαν οι λειτουργικές ιδιότητές τους για το σχεδιασμό βιοϋλικών. Το PLLA είναι ένας αλειφατικός ημικρυσταλλικός, θερμοπλαστικός πολυεστέρας που ανήκει στην κατηγορία των βιοπολυμερών. Τα πλεονεκτήματά του, όπως οι καλές μηχανικές του ιδιότητες, η βιοαποικοδόμησή του, αλλά και το γεγονός ότι προέρχεται από το μονομερές γαλακτικό οξύ, το οποίο υπάρχει φυσικά στον ανθρώπινο οργανισμό, το καθιστούν ιδανικό για χρήση σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Από την άλλη, τα TiO2 έχουν ενδιαφέρουσα φωτοκαταλυτική δραστηριότητα, βιοσυμβατότητα καθώς και αντιμικροβιακές ιδιότητες. Τα πολυμερικά νανοσύνθετα που παράγονται από τα δύο αυτά υλικά χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές όπως ως ικριώματα στην ιστική μηχανική, που περιλαμβάνει τη χρήση συνδυασμού κυττάρων για τη βελτίωση ή την αντικατάσταση βιολογικών λειτουργιών. Τα ικριώματα είναι πορώδη βιοϋλικά 3 διαστάσεων που υποστηρίζουν τη δημιουργία του καινούργιου ιστού καθώς τα κύτταρα μπορούν να αναπτυχθούν πάνω σε αυτά και βιοδιασπώνται με ρυθμιζόμενο ρυθμό χωρίς την ανάγκη αφαίρεσής τους από τον οργανισμό. Τα νανοσύνθετα του PLA με TiO2 ευνοούν την ανάπτυξη κρυστάλλων υδροξυαπατίτη και διαθέτουν επαρκή μηχανική αντοχή, επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην ανάπτυξη οστών. Όσον αφορά την αντιμικροβιακή δράση του TiO2, αυτή λειτουργεί ως εξής: όταν το TiO2 εκτεθεί στο φως δημιουργεί ζεύγη από οπές και ηλεκτρόνια, τα οποία μεταναστεύουν στην επιφάνεια του καταλύτη, αντιδρούν με το νερό και το οξυγόνο και παράγουν έτσι υδροξυλικές ρίζες και αντιδρώσες ρίζες οξυγόνου που διασπούν τα κυτταρικά συστατικά των μικροοργανισμών. Για την αξιολόγηση της αντιμικροβιακής δράσης των νανοσυνθέτων TiO2/PLLA χρησιμοποιήθηκε πληθυσμός βακτηρίων Escherichia coli. Μεμβράνες νανοσυνθέτων με περιεκτικότητες 0/100, 5/95, 10/90 και 20/80 (w/w) TiO2/PLLA χωρίς και με ενεργοποίηση της τιτανίας, μέσω UV ακτινοβόλησης α) αφέθηκαν στο σκοτάδι και β) εκτέθηκαν σε ακτινοβολία UV για 4, 8, 24 και 48 ώρες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στο σκοτάδι, τα νανοσύνθετα στα οποία δεν είχε προηγηθεί ενεργοποίηση της τιτανίας είχαν απλά βακτηριοστατική και όχι βακτηριοκτόνο δράση, ενώ τα νανοσύνθετα με ενεργοποιημένη τιτανία επέδειξαν έντονη αντιμικροβιακή δράση, η οποία και αυξήθηκε μετά τις 8 ώρες. Σε περιβάλλον UV ακτινοβόλησης, τα μη ενεργοποιημένα νανοσύνθετα παρουσίασαν αντιβακτηριακή δράση 3 βημάτων, ενώ τα νανοσύνθετα στα οποία προηγήθηκε ενεργοποίηση της τιτανίας απλή εκθετική μείωση ενός βήματος, με το θάνατο των βακτηρίων να επέρχεται σε συντομότερα χρονικά διαστήματα με αύξηση της συγκέντρωσης των νανοσωματιδίων. Στη συνέχεια έγινε μελέτη της αποδόμησης του PLLA και των νανοσυνθέτων του με διοξείδιο του τιτανίου σε περιβάλλον ακτινοβολίας UV. Η φωτοαποδόμηση οφείλεται στην απορρόφηση φωτονίων και είναι μια διεργασία κατά την οποία το υπεριώδες φως οξειδώνει την πολυμερική δομή, διευκολύνοντας το μηχανικό και μοριακό σπάσιμο του πολυμερούς σε μικρότερα τμήματα. Το PLA συγκεκριμένα, αποδομείται με το μηχανισμό παραγωγής δραστικών ελευθέρων ριζών και αντίδραση αυτών με το οξυγόνο. Για τα νανοσύνθετα που εξετάζονται, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, η αποδόμησή τους οφείλεται στη δημιουργία ελευθέρων ριζών, οι οποίες επιταχύνουν τη διάσπαση της πολυμερικής μήτρας ξεκινώντας την αντίδραση αποδόμησης με την προσβολή γειτονικών πολυμερικών αλυσίδων. Η εργαστηριακή προσομοίωση της UV ακτινοβολίας έγινε με συσκευή έκθεσης σε λάμπα ξένου, η οποία παρέχει φάσμα συγκρίσιμο με αυτό της UV ακτινοβολίας. Εξετάστηκαν δείγματα PLLA καθώς και νανοσύνθετα 10/90 TiO2/PLLA χωρίς ακτινοβόληση, και μετά από ακτινοβόληση για 50, 114 και 210 ώρες. Τα αποτελέσματα ιξωδομετρίας έδειξαν μείωση του μοριακού βάρους των δειγμάτων PLLA με την αύξηση του χρόνου έκθεσης στη UV ακτινοβολία, κάτι που δείχνει ότι η σχάση της αλυσίδας διαδραματίζει πολύ σημαντικό ρόλο στο μηχανισμό αποδόμησης. Από τα φάσματα XRD βρέθηκε ότι το εμβαδόν της άμορφης περιοχής του PLLA παρουσίασε μικρή αυξητική τάση με το χρόνο ακτινοβόλησης. Αντίθετα, το εμβαδόν της άμορφης περιοχής των νανοσυνθέτων μειώθηκε με το χρόνο ακτινοβόλησης, γεγονός που οφείλεται στην ευχερέστερη αποδόμηση της άμορφης φάσης της πολυμερικής μήτρας, και επίσης υπήρξε αύξηση της έντασης της χαρακτηριστικής κορυφής της κρυσταλλικής φάσης, λόγω της δημιουργίας κρυσταλλιτών. Η φασματοσκοπία Raman έδειξε αύξηση της έντασης της κορυφής που σχετίζεται με τη δόνηση τάσης της εστερομάδας του PLLA στα νανοσύνθετα, μετά από 210 ώρες ακτινοβόλησης, πιθανώς λόγω παραγωγής προϊόντων οξείδωσης. Επίσης, με το πέρας του χρόνου ακτινοβόλησης παρατηρήθηκε μείωση της έντασης πολλών χαρακτηριστικών κορυφών. Συμπληρωματικά με τη δοκιμή Raman, η μελέτη με φασματοσκοπία FT-IR-ATR των δειγμάτων έδειξε ότι η κορυφή που οφείλεται στη δόνηση των καρβονυλικών ομάδων μειώθηκε σε ένταση τόσο στο καθαρό PLLA όσο και στα νανοσύνθετα, γεγονός που υποδηλώνει την επίδραση της UV ακτινοβολίας στον εστερικό δεσμό. Από τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, διαπιστώθηκε ότι, ενώ τα δοκίμια αναφοράς δεν παρουσίασαν κρυστάλλωση κατά την ψύξη, όλα τα δείγματα που υποβλήθηκαν σε UV ακτινοβόληση παρουσίασαν αυτήν τη μετάπτωση, η οποία ήταν πιο έντονη στα νανοσύνθετα με την τιτανία. Στον κύκλο θέρμανσης, στο πολυγαλακτικό οξύ, η αρχικά στενή κορυφή τήξης αναλύθηκε σε δύο διακριτές κορυφές με την πάροδο του χρόνου ακτινοβόλησης και αυτό αποδόθηκε στην παρουσία διαφορετικών κρυσταλλικών μορφών. Στα νανοσύνθετα, με την έκθεση στη UV ακτινοβολία, η κορυφή τήξης του PLLA έγινε πιο συμμετρική και μετατοπίστηκε σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Επίσης, ο βαθμός κρυσταλλικότητας αυξήθηκε ελαφρώς με την αύξηση του χρόνου ακτινοβόλησης και στις δύο περιπτώσεις. Τα αποτελέσματα θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης παρουσίασαν βελτιωμένη τη θερμική σταθερότητα των νανοσυνθέτων σε σχέση με το καθαρό PLLA. Όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες, τόσο στο PLLA όσο και στα νανοσύνθετα το μέτρο ελαστικότητας αυξάνει με την αύξηση του χρόνου ακτινοβόλησης, με την αύξηση αυτή να είναι μεγαλύτερη στην περίπτωση των δεύτερων λόγω του ανόργανου μέσου ενίσχυσης που προσδίδει ακαμψία στην πολυμερική μήτρα. Η αντοχή σε εφελκυσμό βρέθηκε μικρότερη στα νανοσύνθετα γεγονός που αποδίδεται στην απουσία ισχυρής διασύνδεσης μεταξύ της πολυμερικής μήτρας και των νανοσωματιδίων. Τέλος, έγινε προσπάθεια παρασκευής ικριωμάτων PLLA/PEG με την προσθήκη άλατος (NaCl) ως το υδατοδιαλυτό πορογενές μέσο. Τα μίγματα παρασκευάστηκαν με τεχνική ανάμειξης τήγματος με χρήση δικόχλιου εκβολέα και ακολούθησε έκπλυση των σωματιδίων. Η PEG είναι γνωστή για την υδροφιλικότητα και τη βιοσυμβατότητά της και αποτελεί έναν από τους πιο αποτελεσματικούς πλαστικοποιητές για το PLA. Πολυμερικά μίγματα βιοαποδομήσιμων πολυμερών όπως αυτό του PLLA/PEG μελετώνται εκτενώς για την κατασκευή ικριωμάτων λόγω του μεγάλου φάσματος μηχανικών ιδιοτήτων που προσφέρουν. Από τη μελέτη DSC βρέθηκε ότι για τα μεν ικριώματα PLLA/NaCl, η θερμοκρασία ψυχρής κρυστάλλωσης ήταν ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή του καθαρού PLLA, επομένως το αλάτι φάνηκε να διευκολύνει την κρυσταλλική διαμόρφωση των πολυμερικών αλυσίδων. Παρόμοια επίδραση είχε και η εισαγωγή της PEG στα ικριώματα, που μείωσε τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης και ψυχρής κρυστάλλωσης του PLLA, σε σχέση με τα μίγματα PLLA/NaCl. Τα αποτελέσματα TGA έδειξαν καλύτερη απομάκρυνση του χλωριούχου νατρίου στην περίπτωση των μιγμάτων PLLA/PEG/NaCl σε σχέση με τα μίγματα PLLA/NaCl, ωστόσο παρατηρήθηκε μεγαλύτερη μείωση της θερμικής σταθερότητας της πολυμερικής μήτρας των πρώτων. Τέλος, η μελέτη με SEM τομών των ικριωμάτων έδειξε ότι η προσθήκη της PEG στο PLLA βοηθά στην αποτελεσματικότερη απομάκρυνση του άλατος και στη δημιουργία πορώδους δομής με καλύτερη διασύνδεση και επικοινωνία μεταξύ των πόρων. Συνοψίζοντας, η τροποποίηση του PLLA με τιτανία βελτιώνει σημαντικά τις αντιμικροβιακές του ιδιότητες, τροποποιεί την κρυσταλλικότητά του και βελτιώνει τη θερμική σταθερότητα και την ακαμψία του κατά την έκθεση σε περιβάλλον UV ακτινοβολίας. Επίσης θετική επίδραση έχει η προσθήκη PEG σε PLA για τη δημιουργία τρισδιάστατης πορώδους δομής με την τεχνική έκπλυσης άλατος.	el
heal.advisorName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.committeeMemberName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.committeeMemberName	Φιλιππόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	219 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true