Η επίδραση της τιτανίας και θερμοχρωμικής χρωστικής στις λειτουργικές ιδιότητες πολυσιλοξάνης γναθοπροσωπικής προσθετικής

Παπαχρήστου, Ευαγγελία; Papachristou, Evangelia

dc.contributor.author	Παπαχρήστου, Ευαγγελία	el
dc.contributor.author	Papachristou, Evangelia	en
dc.date.accessioned	2017-12-20T11:13:41Z
dc.date.available	2017-12-20T11:13:41Z
dc.date.issued	2017-12-20
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46138
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14608
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	Πολυσιλοξάνη	el
dc.subject	Αντιβακτηριακές ιδιότητες	el
dc.subject	Θερμοχρωμικές χρωστικές	el
dc.subject	Γναθοπροσωπική προσθετική	el
dc.subject	Επιταχυνόμενη γήρανση	el
dc.subject	Polysiloxane	en
dc.subject	Antibacterial properties	en
dc.subject	Thermochromic pigments	el
dc.subject	Maxillofacial prosthetics	en
dc.subject	Accelerated aging	en
dc.subject	Τιτανία	el
dc.subject	Titania	en
dc.title	Η επίδραση της τιτανίας και θερμοχρωμικής χρωστικής στις λειτουργικές ιδιότητες πολυσιλοξάνης γναθοπροσωπικής προσθετικής	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Silicon polymers	en
heal.classification	Biomaterials	en
heal.classification	Polymers	en
heal.classification	Πολυμερή	el
heal.classification	Βιοϋλικά	el
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh89004757
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/3cf310bcf061321d7203bd75cbcdc71da3697559
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unescothes/C03068
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/f96eaecad7005b860741ecc59d4835f7428015fd
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/3cf310bcf061321d7203bd75cbcdc71da3697559
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10-02
heal.abstract	Οι πολυσιλοξάνες ανήκουν στην κατηγορία των ελαστομερών και αποτελούν από τα πρώτα πολυμερικά βιοϋλικά που χρησιμοποιήθηκαν στη γναθοπροσωπική προσθετική, ως εμφυτεύματα πλαστικής χειρουργικής, σε καθετήρες και σε άλλες βιοϊατρικές εφαρμογές. Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η μελέτη της τροποποίησης πολυσιλοξανών με τιτανία ή/και θερμοχρωμική χρωστική, ώστε να αριστοποιηθεί η συμπεριφορά τους σε εφαρμογές γναθοπροσωπικής προσθετικής. Βασικό χαρακτηριστικό των πολυσιλοξανών είναι η θερμική και οξειδωτική σταθερότητα που επιδεικνύουν σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς και η διατήρηση της ελαστικότητας και της ευκαμψίας σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Εντούτοις, εμφανίζουν σχετικά χαμηλές μηχανικές ιδιότητες, καθώς και ανάπτυξη μολύνσεων στη διεπιφάνεια με γειτονικούς ιστούς. Επίσης, δεδομένου ότι σε εφαρμογές γναθοπροσωπικής προσθετικής είναι απαραίτητη η προσθήκη χρωστικών που προσδίδουν στην εξωτερική επιφάνεια της πρόσθεσης την απόχρωση του δέρματος, είναι σημαντική η χρωματική σταθερότητα κατά την έκθεσή τους σε περιβαλλοντικές συνθήκες υγρασίας και ακτινοβολίας. Για τη βελτίωση της συμπεριφοράς αυτών των συστημάτων έχουν αναπτυχθεί ειδικές θερμοχρωμικές χρωστικές, των οποίων ο χρωματικός τόνος μεταβάλλεται με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Με τα συστήματα αυτά επιχειρείται η ικανοποίηση της απαίτησης να αποκτούν οι προσθέσεις ερυθρή απόχρωση όταν μειώνεται η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, όπως π.χ. κατά τους χειμερινούς μήνες, ώστε να μη διαφέρουν χρωματικά από τους γειτονικούς ιστούς. Στα πλαίσια της παρούσης διπλωματικής εργασίας, έγινε παρασκευή νανοσυνθέτων πολυσιλοξάνης και τιτανίας σε περιεκτικότητες 2, 5 και 10 wt.% με τη χρήση υπερήχων. Ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε πολυσιλοξάνη, χαμηλού σχετικά μοριακού βάρους, με ακραίες υδροξυλικές ομάδες που ακολουθεί βουλκανισμό συμπύκνωσης. Για τα συστήματα αυτά μελετήθηκαν επιλεγμένες λειτουργικές ιδιότητες με σκοπό να επισημανθούν οι παράμετροι και ο τρόπος που τις επηρεάζουν, ώστε να εντοπισθεί το βέλτιστο σύστημα για την εκάστοτε βιοϊατρική εφαρμογή. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μελέτη της δομής των νανοσυνθέτων μέσω της περίθλασης ακτινών Χ (XRD). Από τη θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) διαπιστώθηκε ότι η ενσωμάτωση τιτανίας στην πολυσιλοξάνη οδήγησε σε σημαντική ενίσχυση της θερμικής σταθερότητας των νανοσυνθέτων, με αύξηση της θερμοκρασίας έναρξης αποδόμησης και του μέγιστου ρυθμού αποδόμησης σε όλες τις εξεταζόμενες αναλογίες τιτανίας. Μέσω της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης παρατηρήθηκε ότι η τιτανία διατήρησε την Tg στα ίδια περίπου επίπεδα με την καθαρή πολυσιλοξάνη και φαίνεται να επιφέρει μικρή αύξηση στη θερμοκρασία ψυχρής κρυστάλλωσης ενώ δεν διαφοροποιεί τις τιμές της θερμοκρασίας τήξης. Όσον αφορά την ενθαλπία ψυχρής κρυστάλλωσης, παραμένει ανεπηρέαστη ενώ αύξηση παρουσιάζει η ενθαλπία τήξης του ελαστομερούς, στις υψηλότερες εξεταζόμενες αναλογίες τιτανίας (5 & 10 wt.%). Προκειμένου να μελετηθούν οι μηχανικές ιδιότητες των νανοσυνθέτων πολυσιλοξάνης, διεξήχθηκαν δοκιμές εφελκυσμού. Η ενσωμάτωση τιτανίας στην πολυσιλοξάνη, οδήγησε σε αύξηση της αντοχής και του μέτρου ελαστικότητας των νανοσυνθέτων τους σε εφελκυσμό. Για να αξιολογηθεί η επίδραση της πυκνότητας πλέγματος της πολυσιλοξάνης στις ιδιότητες των νανοσυνθέτων τιτανίας/πολυσιλοξάνης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διόγκωσης σε τολουένιο σε θερμοκρασία δωματίου. Τα νανοσύνθετα παρουσίασαν μείωση της διόγκωσης με τη αύξηση του TiO2, γεγονός που συνδέεται με την αύξηση της πυκνότητας του πλέγματος λόγω των φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται με τις πολυμερικές αλυσίδες αλλά και στην αύξηση του μονοπατιού διάχυσης του διαλύτη που επιφέρουν τα σωματίδια της τιτανίας στα μάζα του ελαστομερούς. Ακολούθησε μελέτη των αντιβακτηριακών ιδιοτήτων του νανοσυνθέτου 10 wt.% τιτανίας/PDMS σε σύγκριση με μη ενισχυμένη πολυσιλοξάνη. Το στέλεχος που χρησιμοποιήθηκε για την έρευνα αυτή ήταν το Escherichia coli. Μετά τη φωτοενεργοποίηση των δοκιμίων, με την έκθεσή τους σε UV ακτινοβολία, οι οξειδωτικές ρίζες που δημιουργούνται οδηγούν σε μείωση του αριθμού των αποικιών του βακτηρίου μετά την πρώτη ώρα μελέτης, επιβεβαιώνοντας τη βακτηριοκτόνο δράση των νανοσωματιδίων της τιτανίας. Στη συνέχεια, ο αριθμός του βακτηριακού πληθυσμού παρουσιάζει μικρή αύξηση γεγονός που σημαίνει ότι υπάρχει κατανάλωση των οξειδωτικών ριζών. Παρά τη μικρή αύξηση του αριθμού των αποικιών στα δείγματα τιτανίας/PDMS, παρατηρούνται λιγότερες βακτηριακές αποικίες σε σύγκριση με τα δείγματα της μη ενισχυμένης PDMS. Επίσης, μελετήθηκε η μεταβολή του χρώματος δοκιμίων πολυσιλοξάνης και νανοσυνθέτου της (2 wt.% TiO2/PDMS) βαμμένων με ερυθρή θερμοχρωμική χρωστική (σε ποσοστά 0.2 και 0.6 wt.%), στους -20 και στους 40 oC έχοντας ως αναφορά τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η μεταβολή του χρώματος εξετάσθηκε με χρωματομετρία στην κλίμακα Lab. Στην ερυθρή θερμοχρωμική χρωστική που χρησιμοποιήθηκε μεταβάλλεται αντιστρεπτά η απόχρωσή της και ανάλογα με τη μείωση ή την αύξηση της θερμοκρασίας το χρώμα της γίνεται πιο έντονο ή πιο αχνό αντίστοιχα. Η προσθήκη των νανοσωματιδίων τιτανίας “αραιώνει” τον τόνο του χρώματος που αποκτά το ελαστομερές. Τις μεγαλύτερες χρωματικές μεταβολές (ΔΕ), παρουσίασαν τα δοκίμια στα οποία ενσωματώθηκε χρωστική στη μικρότερη συγκέντρωση (0.2 wt.%). Για όλα τα εξεταζόμενα δοκίμια οι μεγαλύτερες χρωματικές μεταβολές έγιναν στους -20 oC. Στις εξεταζόμενες θερμοκρασίες, η προσθήκη τιτανίας περιορίζει τη διαφοροποίηση του χρώματος στα δοκίμια που τροποποιήθηκαν με το χαμηλότερο ποσοστό χρωστικής. Τέλος, μελετήθηκε η μεταβολή του χρώματος δοκιμίων πολυσιλοξάνης που χρωματίστηκαν με κόκκινη θερμοχρωμική χρωστική σε συνθήκες επιταχυνόμενης γήρανσης με έκθεσή τους σε επαναλαμβανόμενους κύκλους UV-B ακτινοβολίας (4 ώρες) και συμπυκνώματος υδρατμών (4 ώρες). Μελετήθηκε, επίσης, η επίδραση της τιτανίας ως σταθεροποιητή απέναντι στην υπεριώδη ακτινοβολία και στη διαδικασία γήρανσης των σιλικονών. Από τα αποτελέσματα της χρωματομετρίας διαπιστώθηκε ότι τα δείγματα που περιείχαν μόνο θερμοχρωμική χρωστική ως πρόσθετο (0.2 wt.% TCP/PDMS και 0.6 wt.% TCP/PDMS), παρουσίασαν έντονη χρωματική αστάθεια από τις πρώτες ώρες έκθεσης, ενώ με την πάροδο του χρόνου επέρχεται αποχρωματισμός και τελικά έγιναν σχεδόν διάφανα με αχνή ροζ-καφέ απόχρωση. Η προσθήκη του διοξειδίου του τιτανίου στα δοκίμια της πολυσιλοξάνης είχε ωφέλιμη επίδραση και ενίσχυσε τη σταθερότητα της θερμοχρωμικής χρωστικής, ειδικά όταν αυτή χρησιμοποιήθηκε σε χαμηλή συγκέντρωση (0.2 wt.%) στο ελαστομερές. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει από αυτή τη διπλωματική εργασία, είναι ότι η τροποποίηση των πολυσιλοξανών με τιτανία βελτιώνει τη θερμική τους σταθερότητα καθώς και την αντοχή τους σε εφελκυστική φόρτιση, ενώ ταυτόχρονα προσδίδει αντιβακτηριακές ιδιότητες στο ελαστομερές. Επίσης, βελτιώνει τη σταθερότητα του χρώματος των δοκιμίων που έχουν τροποποιηθεί με κόκκινη θερμοχρωμική χρωστική και έχουν υποβληθεί σε επιταχυνόμενη γήρανση με έκθεση UVB ακτινοβολία και υγρασία. Επομένως, ο συνδυασμός αυτών των δύο τροποποιήσεων μπορεί να αξιοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού πολυσιλοξανών γναθοπροσωπικής προσθετικής.	el
heal.abstract	Polysiloxane belongs to a group of elastomers, being among the first polymeric biomaterials used in maxillofacial prosthetics, such as implants in plastic surgery, catheters and other biomedical applications. The aim of the present study was to investigate the modification of polysiloxanes with titania and / or thermochromic pigment in order to optimize their behavior in maxillofacial applications. Basic characteristics of polysiloxane are the high thermal and oxidative stability at high temperatures as well as the maintenance of its elasticity and flexibility at very low temperatures. However, silicone polymers are display poor mechanical properties and allow the growth of infections on the interface with adjacent tissues. Also, since in maxillofacial applications is necessary the addition of pigments that give the outer surface of the prosthesis the shade of the skin, the color stability during their exposure to environmental conditions, such as humidity and UV radiation is important. To improve the behavior of these systems, specific thermochromic pigments have been developed, whose color changes with the change of temperature. These systems might be able to satisfy the requirement for the prosthesis to obtain the red hue at low ambient temperature (e.g. in winter), so that they do not differ in color from adjacent tissues. In this diploma thesis, titania/polysiloxane nanocomposites, at concentration of 2, 5, 10 wt.% were produced, by sonicating using an ultrasonic probe. Low molecular weight polysiloxane, with hydroxyl end groups, that follows condensation vulcanization, was used as polymeric matrix. For these systems, selected functional properties were studied, to highlight the vulcanization parameters and understand how they affect those properties, in order to identify the optimal system for the biomedical application in question. First, an investigation of the structure of nanocomposites via X-ray diffraction (XRD) was carried out. By mean of Thermogravimetric Analysis (TGA), it was found that the incorporation of titania into the polysiloxane resulted in a significant enhancement of its thermal stability, with an increase of the decomposition temperature and the maximum degradation rate through the entire range of filler concentrations. Through Differential Scanning Calorimetry (DSC), it was found that titania maintained Tg at about the same level as that of the pure polysiloxane and appears to cause a small increase in the cold crystallization temperature, while it does not influence the melting temperature values. Regarding enthalpy of cold crystallization, it remains unaffected, whereas the melting enthalpy of the elastomer increases at the highest titania loadings (5 & 10 wt.%). In order to study the mechanical properties of polysiloxane nanocomposites, tensile tests were conducted and it was found that titania increases its tensile strength and elastic modulus. In order to evaluate the effect of the mesh density of polysiloxane on the properties of the titania/ polysiloxane nanocomposites, swelling experiments using toluene were carried out at room temperature. The nanocomposites showed lower swelling with the increase in TiO2, which is associated with the increase in the mesh density, due to filler-polymer physicochemical interactions and also to the increase in the diffusion path of the solvent resulting from the incorporation of titania nanoparticles. A study of the antibacterial properties of the nanocomposite 10 wt.% Titania / PDMS was followed, in comparison with pure polysiloxane. The strain used for this study was Escherichia coli. After photoactivation of the specimens, by exposure to UV radiation, the resulting oxidative species lead to a reduction of the number of bacterial colonies after the first hour of study, confirming the bactericidal action of the nanoparticles of titania. Then, the number of bacterial populations show a small increase, which means that consumption of oxidative radicals takes place. Despite the slight increase of the number of bacterial colonies in titania / PDMS samples, fewer bacterial colonies are observed compared to pure PDMS samples. Furthermore, the color change of polysiloxane and its nanocomposite (2 wt.% TiO2 / PDMS) colored with red thermochromic pigment (at 0.2 and 0.6 wt.%) at -20 and 40 °C was studied, taking the ambient temperature as a reference. The color change was studied by colorimetry on the Lab scale. The investigated red thermochromic pigment, changes reversibly its color and, depending on the decrease or increase in temperature, the color becomes brighter or lighter, respectively. The addition of titania nanoparticles "fades" the shade of the color of the elastomer. Maximum color changes were observed in samples with the lowest concentration (0.2 wt.%) of thermochromic pigment. For all the tested samples, the highest color changes were recorded at -20 °C. In the temperaturerange of the above testing examined, the addition of titania limits the color variation in the samples containing with the lowest pigment contant. Finally, the color change of polysiloxane specimens colored with red thermochromic pigment in accelerated aging conditions was studied, by exposing them to repeated cycles of UV-B radiation (4 hours) and water vapor condensation(4 hours). The effect of titania as a UV stabilizer and anti-aging, agent was also studied. From colorimetry results it was found that samples containing only thermochromic pigment as an additive (0.2 wt% TCP / PDMS and 0.6 wt% TCP / PDMS) showed poor color stability from the first hours of exposure, while discoloration occured over time, and eventually the specimens became almost transparent, with a pale pink-brown hue. The addition of titania to polysiloxane specimens had a positive effect and enhanced the stability of the thermochromic pigment, especially at low concentration (0.2 wt.%) in the nanocomposite. The main conclusion drawn from this diploma thesis, is that the modification of polysiloxanes with titania improves their thermal stability, as well as their resistance to tensile loading, while it provides antibacterial properties to the elastomer. It also improves the color stability of the specimens that were colored with a red thermochromic pigment and had been subjected to accelerated aging, by exposure to UVB radiation and moisture. Therefore, the combination of these two additives can be useful for the optimization of the design of maxillofacial silicone elastomer prostheses.	en
heal.advisorName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Κέκος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμερών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	160 σ.
heal.fullTextAvailability	true