Παρασκευή υβριδικών συστημάτων του  πολυ(γαλακτικού οξέος) με βιοδραστικά πρόσθετα και μελέτη λειτουργικών ιδιοτήτων για το σχεδιασμό βιοϋλικών

Χριστοφορίδης, Μάξιμος; Christoforidis, Maximos

dc.contributor.author	Χριστοφορίδης, Μάξιμος	el
dc.contributor.author	Christoforidis, Maximos	en
dc.date.accessioned	2022-01-20T10:12:27Z
dc.date.available	2022-01-20T10:12:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54385
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22083
dc.rights	Default License
dc.subject	Πολυγαλακτικό οξύ	el
dc.subject	Υδροξυαπατίτης	el
dc.subject	Πολυγαλακτικό οξύ	el
dc.subject	Μη ισοθερμοκρασιακή κρυστάλλωση	el
dc.subject	Μηχανικές ιδιότητες	el
dc.subject	Non isothermal crystallization	en
dc.subject	HA	en
dc.subject	PLLA	en
dc.subject	PEG	en
dc.subject	Crystallization	en
dc.title	Παρασκευή υβριδικών συστημάτων του πολυ(γαλακτικού οξέος) με βιοδραστικά πρόσθετα και μελέτη λειτουργικών ιδιοτήτων για το σχεδιασμό βιοϋλικών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πολυμερή	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-07
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η τροποποίηση του πολυ(γαλακτικού οξέος) με στόχο την παρασκευή υβριδικών συστημάτων με κατάλληλες λειτουργικές ιδιοτήτες ώστε να χρησιμοποιηθούν στο σχεδιασμό βιοϋλικών, όπως στην κατασκευή ικριωμάτων για τη μηχανική ιστών. Το πολυ(L-γαλακτικό οξύ) (PLLA) ανήκει στους βιοαποικοδομήσιμους, ημικρυσταλλικούς πολυεστέρες με καλές μηχανικές ιδιότητες, σχετικά αργό ρυθμό αποδόμησης και περιορισμένη υδροφιλικότητα. Για να βελτιωθεί η βιοσυβατότητά του κατά τη χρήση του σε βϊοϊατρικές εφαρμογές, εξετάσθηκε η τροποποίησή του με νανοσωματίδια συνθετικού υδροξυαπατίτη (HA). Επίσης, μελετήθηκε η τροποποίηση της υδροφιλικότητας με την παρασκευή μιγμάτων με πολυ(αιθυλενογλυκόλη) (PEG), η οποία επιπλέον παρουσιάζει πλαστικοποιητική δράση. Η παρασκευή των νανοσυνθέτων και των μιγμάτων πραγματοποιήθηκε με τεχνολογία ανάμιξης τήγματος, σε ομόστροφο δικόχλιο σύστημα εκβολής. Στα υβριδικά συστήματα του PLLA που προέκυψαν πραγματοποιήθηκε μελέτη της δομής, των θερμομηχανικών ιδιοτήτων καθώς και του μηχανισμού κρυστάλλωσης του PLLA με τη χρήση διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC). Αρχικά, εξετάστηκε η επίδραση της διαδικασίας ανάμιξης με δικόχλιο εκβολέα στο PLLA με προσδιορισμού του μοριακού του βάρους, μέσω ιξωδομετρίας διαλύματος, και διαπιστώθηκε ότι παραμένει αμετάβλητο. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν τα σύνθετα του PLLA με HA σε αναλογίες 5, 10 και 20% w/w. Στα φάσματα που ελήφθησαν από το XRD, παρατηρείται ότι η αύξηση της περιεκτικότητας του ΗΑ επιφέρει αύξηση της έντασης της χαρακτηριστικής κορυφής του PLLA(16.7°) και γίνεται πιο στενή, φαινόμενο που υποδεικνύει την αύξηση της κρυσταλλικότητας και της ομοιογένειας των κρυστάλλων της πολυμερικής μήτρας. Η θερμοβαρυμετρική ανάλυση έδειξε μικρή υποβάθμιση της θερμικής σταθερότητας των συνθέτων. Από τις δοκιμές εφελκυσμού παρατηρήθηκε μικρή μείωση στη μηχανική αντοχή των συνθέτων σε σχέση με την πολυμερική μήτρα, με μικρή αύξηση του μέτρου ελαστικότητας και της παραμόρφωσης στη θραύση των δοκιμίων. Ο μηχανισμός της κρυστάλλωσης του PLLA μελετήθηκε ισοθερμοκρασιακά με τη μέθοδο DSC στις θερμοκρασίες 100, 110, 115 και 120°C. Παρατηρήθηκε ότι εξαρτάται όχι μόνο από την περιεκτικότητα του HA στα σύνθετα αλλά και από την θερμοκρασία στην οποία λαμβάνει χώρα το φαινόμενο. Ο μέγιστος ρυθμός κρυστάλλωσης των συνθέτων εντοπίσθηκε στους 100°C, ενώ στους 115 και 120°C παρατηρήθηκε πιο αργός ρυθμός λόγω προσέγγισης στη θερμοκρασία τήξης του PLLA. Οι καμπύλες τήξης του DSC μετά την ισοθερμοκρασιακή κρυστάλλωση, δίνουν στοιχεία για την ποιότητα των κρυστάλλων του PLLA στα σύνθετα. Μετά την ισοθερμοκρασιακή κρυστάλλωση στους 100°C και 110°C, ακολουθεί θέρμανση των δειγμάτων του PLLA και εμφανίζονται δύο κορυφές τήξης, φαινόμενο που συνδέεται με ευρεία κατανομή στο μέγεθος των κρυσταλλιτών που σχηματίζονται κατά την κρυστάλλωσή του και οφείλεται σε ατελείς και μικρούς κρυστάλλους που δημιουργούνται κατά την κρυστάλλωση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Ακολούθησε ο χαρακτηρισμός μιγμάτων PLLA και PEG σε αναλογίες 5,10 και 20% w/w. Η PEG α1παρουσίασε μείωση της κρυσταλλικότητας στα μίγματά της με το PLLA. Σύμφωνα με τα φάσματα XRD, η χαρακτηριστική της κορυφή στην θέση 2θ = 23.2° εμφανίστηκε όταν η περιεκτικότητά της στο μίγμα ήταν 30 % κ.β.. Από την ανάλυση των μιγμάτων με FTIR/ATR, υπολογίστηκε ο δείκτης κρυσταλλικότητας της φάσης του PLLA (Ι1180/Ι1383) και παρουσίασε αύξηση με την αύξηση της περιεκτικότητας σε PEG. Ο χαρακτηρισμός των μιγμάτων με DSC επιβεβαίωσε πως η PEG διευκόλυνε την κρυστάλλωση του PLLA, η οποία ολοκληρωνόταν κατά τον κύκλο ψύξης σε όλα τα εξεταζόμενα μίγματα. Η θερμική σταθερότητα της φάσης της PEG δεν επηρεάστηκε, όπως διαπιστώθηκε από τη θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA). Οι δοκιμές εφελκυσμού που πραγματοποιήθηκαν σε μορφοποιημένα με θερμή συμπίεση δοκίμια, έδειξαν μείωση αντοχής και του μέτρου ελαστικότητας των μιγμάτων λόγω της πλαστικοποιητικής δράσης της PEG. Επίσης, η υδρόφιλη PEG, ενίσχυσε την υδροφιλικότητα του PLLA μειώνοντας αισθητά τις τιμές της γωνίας επαφής σταγόνων του νερού στην επιφάνεια πλακιδίων μορφοποιημένων μιγμάτων. Κατά τη μη ισοθερμοκρασιακή μελέτη της κρυστάλλωσης του PLLA με ρυθμούς ψύξης 2, 3.5, 5 και 10°C/min, παρατηρήθηκε ότι με μείωση του ρυθμού ψύξης, η κρυστάλλωση του PLLA πραγματοποιήθηκε σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Μετά την ενσωμάτωση της PEG, η κρυστάλλωση έλαβε χώρα σε ακόμα υψηλότερες θερμοκρασίες. Η κορυφή ψυχρής κρυστάλλωσης του καθαρού PLLA εξαφανίστηκε κατά την ψύξη με ρυθμό 2 °C/min, ενώ δεν εμφανίστηκε σε κανένα από τα εξεταζόμενα μίγματα, σε όλους τους ρυθμούς ψύξης που χρησιμοποιήθηκαν. Η κινητική μελέτη της μη ισοθερμοκρασιακής κρυστάλλωσης επιβεβαίωσε ότι η ενσωμάτωση της PEG βοήθησε και επιτάχυνε την κρυστάλλωση του PLLA σε όλους τους εξεταζόμενους ρυθμούς ψύξης, και οι τιμές του n που προσδιορίστηκαν (n=4 έως 6.4), υποδηλώνουν τρισδιάστατη ανάπτυξη σφαιρουλιτών. Αντίστοιχα, το ποσοστό της κρυσταλλικής φάσης της PEG μειώθηκε σε σύγκριση με την καθαρή PEG και οι τιμές του n κυμάνθηκαν στην περιοχή από 2.6 έως 3.6 που αντιστοιχεί στην ανάπτυξη δισδιάστατων δίσκων για το μίγμα 20/80 PEG/PLLA και στην περιοχή 2.3 έως 4.1 που αντιστοιχεί σε τρισδιάστατη ανάπτυξη σφαιρουλιτών για το μίγμα 30/70 PEG/PLLA. Από τη μελέτη της ισοθερμοκρασιακής κρυστάλλωσης του PLLA και των μιγμάτων του με την PEG, παρατηρήθηκε αύξηση του χρόνου ημικρυστάλλωσης (t1/2) του PLLA και αύξηση της θερμοκρασίας κρυστάλλωσης. Η ανάλυση Avrami έδειξε δισδιάστατη και τρισδιάστατη ανάπτυξη κρυστάλλων στα μίγματα. Συνοψίζοντας, από τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής διαπιστώθηκε ότι η προσθήκη PEG σε αναλογία 20 % κ.β. στο PLLA βελτίωσε σημαντικά την υδροφιλικότητα του μίγματος με το PLLA,διευκόλυνε το μηχανισμό κρυστάλλωσης ενώ οι ιδιότητες κατά τη δοκιμή σε εφελκυσμό διατηρήθηκαν σε ικανοποιητικά επίπεδα. Ο HA επίσης διευκόλυνε την κρυστάλλωση του PLLA, και η προσθήκη του μέχρι και 10 % κ.β. δεν επηρέασε αισθητά την αντοχή των συνθέτων τους σε εφελκυσμό ενώ αύξηση παρουσίασε το μέτρο ελαστικότητας. Με βάση τα παραπάνω, προτείνεται η συνδυασμένη τροποποίηση του PLLA με HA (10 % κ.β.) και PEG (20 % κ.β.), ώστε να επιτευχθεί βελτίωση της βιοσυμβατότητας με το συνδυασμό της αυξημένης βιοδραστικότητας που προέρχεται από τον ΗΑ και της βελτιωμένης υδροφιλικότητας που προσδίδει η PEG, διατηρώντας σε ικανοποιητικά επίπεδα τις μηχανικές ιδιότητες του παραγόμενου υβριδικού συστήματος το οποίο θα μπορούσε να αξιοποιηθεί ως βιοϋλικό σε διάφορες εφαρμογές όπως στην παρασκευή ικριωμάτων για μηχανική ιστών.	el
heal.advisorName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.committeeMemberName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.committeeMemberName	Κυρανούδης, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	131 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false