Σχεδιασμός, παρασκευή και μελέτη νανοσυνθέτων υλικών πολυσιλοξάνης για βιοϊατρικές εφαρμογές

Abstract

Οι πολυσιλοξάνες ανήκουν στην κατηγορία των ελαστομερών και βρίσκουν πολλές βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως στη γναθοπροσωπική προσθετική, ως εμφυτεύματα πλαστικής χειρουργικής, ως συστήματα μήτρας για την αποδέσμευση φαρμάκων, καθώς και ως εξαρτήματα σε ιατρικό εξοπλισμό. 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. Λόγω των σχετικά χαμηλών μηχανικών ιδιοτήτων που χαρακτηρίζουν τις πολυσιλοξάνες, είναι αναγκαίο σε πολλές εφαρμογές να χρησιμοποιηθούν διάφορα μέσα ενίσχυσης, για τη δημιουργία ενός συνθέτου υλικού που θα ικανοποιεί τις αναγκαίες κατά περίπτωση εφαρμογής ιδιότητες. Η εισαγωγή ενός μέσου ενίσχυσης στην κλίμακα των νανο-διαστάσεων επιφέρει σημαντικές αλλαγές στις ιδιότητες του συνθέτου ακόμα και όταν αυτό προστίθεται σε μικρές ποσότητες, χωρίς να επηρεάζει τη βασική χημική του σύσταση. Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής, έγινε μελέτη υβριδικών συστημάτων πολυσιλοξάνης με ανόργανα νανοσωματίδια, με στόχο την αναβάθμιση των μηχανοθερμικών ιδιοτήτων και της βιοσυμβατότητας για την αριστοποίηση της συμπεριφοράς τους σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Ως μήτρες χρησιμοποιήθηκαν πολυσιλοξάνες με ακραίες υδροξυλικές ομάδες που ακολουθούν βουλκανισμό συμπύκνωσης καθώς και πολυσιλοξάνες με ακραίες βινυλικές ομάδες που ακολουθούν βουλκανισμό με μηχανισμό προσθήκης. Στην περίπτωση των πολυσιλοξανών εκτός από τον τύπο με βάση τον τρόπο βουλκανισμού, εξετάσθηκαν ελαστομερή με διαφορετικά μοριακά βάρη. Τα μέσα ενίσχυσης που χρησιμοποιήθηκαν ήταν δύο εμπορικοί τύποι οργανικά τροποποιημένου μοντμοριλλονίτη, μη τροποποιημένος μοντμοριλλονίτης ως πρόσθετο αναφοράς, τροποποιημένα νανοσωματίδια διοξειδίου του πυριτίου, υδροξυαπατίτης και βιοδραστική ύαλος. Για τα υβριδικά συστήματα πολυσιλοξάνης μελετήθηκαν οι κρίσιμες ιδιότητες με σκοπό να εντοπισθεί το κατάλληλο σύστημα για την εκάστοτε βιοϊατρική εφαρμογή, καθώς επίσης και να επισημανθούν οι σχεδιαστικές παράμετροι που μπορούν να επηρεάσουν τις βέλτιστες ιδιότητες του υλικού. Η επίδραση του μέσου ενίσχυσης στην αντίδραση βουλκανισμού αποτελεί βασική παράμετρο στο σχεδιασμό των νανοσυνθέτων, με δεδομένο ότι καθορίζει τον τρόπο και το χρόνο μορφοποίησης καθώς και τη δομή και κατ’ επέκταση τις ιδιότητες των αντίστοιχων υβριδικών συστημάτων. Στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχει περιορισμένος αριθμός αναφορών σχετικά με την επίδραση του μοντμοριλλονίτη στην αντίδραση βουλκανισμού ελαστομερούς μήτρας και ιδιαίτερα των πολυσιλοξανών. Η επίδραση των διάφορων ανόργανων μέσων ενίσχυσης στην αντίδραση βουλκανισμού πολυσιλοξάνης με ακραίες υδροξυλικές ομάδες που ακολουθεί μηχανισμό συμπύκνωσης, μελετήθηκε μέσω της ιξωδομετρίας Brookfield, με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) και φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR-ATR). Από τα αποτελέσματα της μελέτης διαπιστώθηκε ότι η ενσωμάτωση όλων των τύπων μέσου ενίσχυσης, οδηγεί σε ταχύτερη εξέλιξη της αντίδρασης καθώς και σε ταχύτερη ολοκλήρωσή της, συγκριτικά με την μη ενισχυμένη πολυσιλοξάνη, ενώ η επίδραση αυτή γίνεται εντονότερη όσο το μοριακό βάρος της μήτρας αυξάνεται. Μέσω των πειραμάτων διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης με ημιτονοειδή ρυθμό θέρμανσης, καταγράφηκε και ποσοτικοποιήθηκε η αντίδραση βουλκανισμού της μη ενισχυμένης πολυσιλοξάνης συμπύκνωσης μεσαίου μοριακού βάρους καθώς και των αντίστοιχων νανοσυνθέτων της μέσω της μεταβολής της ενθαλπίας “ψυχρής” κρυστάλλωσης του ελαστομερούς. Η μείωση της ενθαλπίας που παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια της αντίδρασης οφείλεται στην αύξηση των σταυροδεσμών λόγω του βουλκανισμού και κατά συνέπεια στη μείωση της κινητικότητας των ελεύθερων άκρων των αλυσίδων. Από τη μελέτη με την τεχνική αυτή παρατηρείται βραδεία εξέλιξη του βουλκανισμού της μη ενισχυμένης πολυσιλοξάνης στα πρώτα 200min (χρόνος επώασης) και απότομη επιτάχυνση της αντίδρασης στη συνέχεια, ενώ τα υβριδικά συστήματα παρουσίασαν γραμμική εξέλιξη της μετατροπής σε συνάρτηση με το χρόνο. Από τη συγκριτική μελέτη της επίδρασης των διαφόρων μέσων ενίσχυσης διαπιστώθηκε ότι η εισαγωγή των νανοσωματιδίων του τροποποιημένου διοξειδίου του πυριτίου επιταχύνει σημαντικά την αντίδραση, σε σχέση με το σύστημα της μη-ενισχυμένης πολυσιλοξάνης, ακολουθεί ο τροποποιημένος μοντμοριλλονίτης Cloisite 20A και τέλος το Cloisite 30B. Με τη φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR-ATR) έγινε καταγραφή της προόδου της αντίδρασης από τη μεταβολή του εμβαδού της κορυφής 1200-900 cm-1, η οποία αντιστοιχεί δόνηση των δεσμών Si-O-Si των διασταυρούμενων συνδέσεων του βουλκανισμού. Η επίδραση των διάφορων ανόργανων μέσων ενίσχυσης στο βουλκανισμό πολυσιλοξάνης με ακραίες βινυλικές ομάδες που ακολουθεί μηχανισμό προσθήκης, μελετήθηκε από το εξώθερμο της αντίδρασης μέσω της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης, καθώς και με φασματοσκοπίας υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier. Από την τεχνική DSC, με δυναμικά και ισοθερμοκρασιακά πειράματα, διαπιστώθηκε ότι ο μη τροποποιημένος μοντμοριλλονίτης επιταχύνει σε μεγαλύτερο βαθμό την αντίδραση σε σχέση με την μη ενισχυμένη πολυσιλοξάνη, ακολουθούν ο υδροξυαπατίτης, το διοξείδιο του πυριτίου και το Cloisite 20A. Υστέρηση στην εξέλιξη και ολοκλήρωση της αντίδρασης σε σχέση με την πολυσιλοξάνη αναφοράς έδωσε το υβριδικό σύστημα του Cloisite 30B, συμπεριφορά που συνδέεται με την αυξημένης πολικότητας οργανική τροποποίηση του μέσου αυτού. Στα αποτελέσματα των ισοθερμοκρασιακών πειραμάτων έγινε προσαρμογή κινητικού μοντέλου βασισμένου στην αυτοκατάλυση ενώ στις μη ισοθερμοκρασιακές συνθήκες προσαρμόστηκαν οι εξισώσεις των Κissinger και Ozawa, για τον υπολογισμό κινητικών παραμέτρων όπως η ενέργεια ενεργοποίησης. Ακολούθησε εκτενής μελέτη των θερμομηχανικών ιδιοτήτων, έτσι ώστε να γίνει σαφής συσχέτιση μεταξύ δομής και ιδιοτήτων του υλικού. Η προκύπτουσα δομή μετά την ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων μοντμοριλλονίτη μελετήθηκε μέσω της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD). Επιβεβαιώθηκε ότι η αύξηση του ποσοστού της οργανικής τροποποίησης και επομένως του διακένου μεταξύ των φιλιδίων του μοντμοριλλονίτη, ευνοεί την εισαγωγή των αλυσίδων του ελαστομερούς ανάμεσά τους, με αποτέλεσμα να είναι ευκολότερη η διάνοιξη και η διασπορά τους στη μάζα του ελαστομερούς. Από τη θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) διαπιστώθηκε ότι η ενσωμάτωση των δύο οργανικά τροποποιημένων αργίλων (Cloisite 20A και Cloisite 30B) σε όλα τα εξεταζόμενα μοριακά βάρη της πολυσιλοξάνης συμπύκνωσης, οδήγησε σε σημαντική ενίσχυση της θερμικής σταθερότητας των νανοσυνθέτων, με αύξηση της θερμοκρασίας έναρξης και του μέγιστου ρυθμού αποδόμησης σε όλες εξεταζόμενες αναλογίες του μέσου ενίσχυσης από 10-30οC. Ανάλογη συμπεριφορά διαπιστώνεται και κατά την εισαγωγή νανοσωματιδίων υδροξυαπατίτη στην μάζα του ελαστομερούς. Η ενσωμάτωση του διοξειδίου του πυριτίου και του βιοδραστικού γυαλιού οδήγησαν σε μείωση της θερμικής σταθερότητας του υλικού. Η ενσωμάτωση των δύο τύπων οργανικά τροποποιημένου μοντμοριλλονίτη (Cloisite 20A και Cloisite 30B) καθώς και του μη τροποποιημένου στην πολυσιλοξάνη προσθήκης, οδηγεί σε μείωση της θερμικής σταθερότητας συγκριτικά με την μη ενισχυμένη πολυσιλοξάνη. Μέσω της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης παρατηρήθηκε ότι τα μέσα ενίσχυσης που χρησιμοποιήθηκαν, μειώνουν τη θερμοκρασία «ψυχρής» κρυστάλλωσης σε όλα τα εξεταζόμενα μοριακά βάρη της πολυσιλοξάνης συμπύκνωσης και προσθήκης, διατηρώντας σχεδόν ανεπηρέαστες τις θερμοκρασίες υαλώδους μετάπτωσης και τήξης. Επίσης, μικρή τάση μείωσης παρουσιάζουν οι ενθαλπίες κρυστάλλωσης και τήξης των νανοσυνθέτων, σε σχέση με την καθαρή σιλικόνη. Προκειμένου να μελετηθούν οι μηχανικές ιδιότητες των νανοσυνθέτων πολυσιλοξάνης, διεξήχθησαν δοκιμές εφελκυσμού. Η ενσωμάτωση του Cloisite 20A στα σύνθετα πολυσιλοξάνης συμπύκνωσης χαμηλού μοριακού βάρους, οδηγεί στη μεγαλύτερη αύξηση της αντοχής σε εφελκυσμό, ακολουθούν τα σύνθετα με βιοδραστικό γυαλί, τα σύνθετα τροποποιημένου διοξειδίου του πυριτίου, τα σύνθετα Cloisite 30B ενώ ο υδροξυαπατίτης δεν παρουσιάζει ενισχυτική δράση όσον αφορά την ιδιότητα αυτή. Το μέτρο ελαστικότητας ενισχύεται σε σημαντικό βαθμό με την ενσωμάτωση των δύο τύπων οργανικά τροποποιημένου μοντμοριλλονίτη και ακολουθούν τα νανοσύνθετα διοξειδίου του πυριτίου, ενώ παραμένει σχεδόν ανεπηρέαστο από την προσθήκη υδροξυαπατίτη και βιοδραστικού γυαλιού. Η ενισχυτική δράση των εξεταζομένων εμπορικών μοντμοριλλονιτών επιβεβαιώνεται και στα μεγαλύτερα μοριακά βάρη της πολυσιλοξάνης συμπύκνωσης, με σημαντική υπεροχή των νανοσυνθέτων που ενισχύονται με Cloisite 20A. Όσον αφορά τα νανοσύνθετα της πολυσιλοξάνης προσθήκης, παρατηρήθηκε μικρή αύξηση στην αντοχή σε εφελκυσμό και στην παραμόρφωσης στη θραύση με την προσθήκη των εξεταζομένων μοντμοριλλονιτών, με μικρή υπεροχή του Cloisite 20A. Τέλος, το μέτρο ελαστικότητας δεν παρουσιάζει σημαντική διαφοροποίηση σε κανένα από τα υπό μελέτη συστήματα. Η ενσωμάτωση των οργανικά τροποποιημένων μοντμοριλλονιτών αυξάνει τις τιμές της επιφανειακής σκληρότητας και της αντοχής σε σχισμό των νανοσυνθέτων σε όλες τις εξεταζόμενες πολυσιλοξάνες. Σε όλα τα εξεταζόμενα μοριακά βάρη πολυσιλοξάνης συμπύκνωσης και προσθήκης η ενσωμάτωση του Cloisite 20A, οδήγησε στις υψηλότερες τιμές έναντι των υπολοίπων μέσων ενίσχυσης που χρησιμοποιήθηκαν. Μικρή μείωση της αντοχής σε σχισμό διαπιστώνεται στα σύνθετα του διοξείδιο του πυριτίου και του υδροξυαπατίτη. Για να συσχετισθεί και να αξιολογηθεί η επίδραση της πυκνότητας πλέγματος της πολυσιλοξάνης στις ιδιότητες των εξεταζομένων υβριδικών της συστημάτων, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διόγκωσης σε τολουένιο σε θερμοκρασία δωματίου. Σε όλους τους τύπους πολυσιλοξάνης καθώς και με την εισαγωγή όλων των τύπων μέσου ενίσχυσης, διαπιστώθηκε μείωση στο ποσοστό της διόγκωσης, ενώ η μείωση αυτή γίνεται μεγαλύτερη, όσο αυξάνει το περιεχόμενο των νανοσωματιδίων στην πολυσιλοξάνη. Στα σύνθετα πολυσιλοξάνης συμπύκνωσης, σε όλα τα εξεταζόμενα μοριακά βάρη, διαπιστώνεται σημαντικότερη μείωση του ποσοστού διόγκωσης για τα σύνθετα Cloisite 20A συγκριτικά με τα νανοσύνθετα που περιέχουν Cloisite 30B, συνεπώς και η δημιουργία περισσότερων αλληλεπιδράσεων δεσμών πλέγματος. Επίσης, το διοξείδιο του πυριτίου, ο υδροξυαπατίτης και το βιοδραστικό γυαλί οδηγούν σε σημαντική μείωση του ποσοστού διόγκωσης, συγκριτικά με την μη ενισχυμένη πολυσιλοξάνη. Στα εξεταζόμενα υβριδικά συστήματα πολυσιλοξάνης ελέγχθηκε η συμπεριφορά τους σε επιλεγμένες βιοϊατρικές εφαρμογές, εξετάζοντας τη βιοσυμβατότητα και άλλες κρίσιμες κατά περίπτωση σχεδιαστικές παραμέτρους. Λαμβάνοντας υπόψη τα κλινικά προβλήματα που παρουσιάζονται κατά τη χρήση των σιλικονών σε εφαρμογές γναθοπροσωπικής προσθετικής πραγματοποιήθηκαν πειράματα επιταχυνόμενης γήρανσης σε νανοσύνθετα πολυσιλοξάνης συμπύκνωσης που ενισχύθηκε με οργανικά τροποποιημένο μοντμοριλλονίτη (Cloisite 30B) καθώς και σε δοκίμια αναφοράς. Διαπιστώθηκε ότι η ενίσχυση της καθαρής σιλικόνης με μοντμοριλλονίτη οδηγεί σε σταθερότερες δομές με μικρότερη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων. Από τα πειράματα διόγκωσης σε τολουένιο διαπιστώθηκε ότι η επιταχυνόμενη γήρανση δεν επηρεάζει την πυκνότητα του πλέγματος του νανοσυνθέτου, ενώ μείωση καταγράφηκε στα δοκίμια της μη-ενισχυμένης πολυσιλοξάνης. Από τη μελέτη της συνολικής μεταβολής του χρώματος, παρατηρήθηκε ότι η εισαγωγή του Cloisite 30B βελτιώνει σημαντικά την χρωματική σταθερότητα δοκιμίων βαμμένης πολυσιλοξάνης με κίτρινη και πράσινη χρωστική. Στη συνέχεια μελετήθηκε η in-vitro αποδέσμευση της υδρόφιλης μετρονιδαζόλης από συστήματα μήτρας πολυσιλοξάνης, καθώς και των αντίστοιχων νανοσυνθέτων της με Cloisite 30B. Η ενσωμάτωση του οργανικά τροποποιημένου μοντμοριλλονίτη, μειώνει το ποσοστό αποδέσμευσης και περιορίζει το φαινόμενο εκτίναξης. Η αύξηση στο μοριακό βάρος της πολυσιλοξάνης, που συνοδεύεται από αντίστοιχη μείωση της πυκνότητας του πλέγματος του ελαστομερούς, μειώνει το ρυθμό και το ποσοστό αποδέσμευσης γεγονός που φανερώνει ότι η διάχυση δεν είναι ο κυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς της μετρονιδαζόλης για το συγκεκριμένο σύστημα μήτρας. Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με το παραπροϊόν της αντίδρασης βουλκανισμού την προπανόλη, η συγκέντρωση της οποίας ανέρχεται όσο αυξάνεται η συγκέντρωση των ακραίων υδροξυλικών ομάδων στα συστήματα χαμηλού μοριακού βάρους, καθώς και με το μηχανισμό διαλύτωσης του φαρμάκου και της δημιουργίας καναλιών που συμβάλλουν στη διαδικασία αποδέσμευσης. Τέλος, συγκρίνοντας του δύο διαφορετικούς τύπους πολυσιλοξάνης, διαπιστώνεται ότι η πολυσιλοξάνη προσθήκης χαμηλού μοριακού βάρους οδηγεί την αποδέσμευση σε χαμηλότερα επίπεδα συγκριτικά με την αντίστοιχου μοριακού βάρους πολυσιλοξάνη συμπύκνωσης. Για τον in-vitro έλεγχο της βιοσυμβατότητας των υβριδικών συστημάτων πολυσιλοξάνης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα εμβάπτισης σε διάλυμα προσομοίωσης των σωματικών υγρών, έτσι ώστε να προσδιοριστεί η δημιουργία υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια του υλικού. Η εξέταση των δοκιμίων με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης σε συνδυασμό με στοιχειακή ανάλυση EDAX, έδειξε πυρήνες επιφανειακού υδροξυαπατίτη σε όλα τα εξεταζόμενα συστήματα της πολυσιλοξάνης ιδιαίτερα μετά από 40 ημέρες εμβάπτισης στο διάλυμα. Η παρατήρηση αυτή είναι σημαντική γιατί η δημιουργία στρώματος υδροξυαπατίτη ευνοεί τη διεπιφανειακή συγκόλληση προσθέσεων και εμφυτευμάτων από πολυσιλοξάνη με το περιβάλλον οστών και μαλακών ιστών. Τέλος, ο έλεγχος της βιωσιμότητας των κυττάρων (κυτταρική σειρά ινοβλαστών 3Τ3 και οστεοβλαστών MG 63) έγινε με την ποσοτικοποίηση των ενεργών μιτοχονδρίων στα μελετώμενα κύτταρα (MTT assay) και με τη μελέτη της μορφολογίας των κυττάρων μέσω ηλεκτρονικού και οπτικού μικροσκοπίου. Διαπιστώθηκε ότι η παρουσία όλων των εξεταζομένων μέσων ενίσχυσης οδηγεί στην αύξηση της βιωσιμότητας των κυττάρων, συγκριτικά με το περιβάλλον της μη ενισχυμένης πολυσιλοξάνης, με ταυτόχρονη ισχυρή κυτταρική πρόσδεση ιδιαίτερα σε καλλιέργειες κατά τις πρώτες 24 ώρες. Επίσης, έγινε συσχέτιση της βιωσιμότητας του τύπου των εξεταζομένων κυττάρων με τον τύπο του μέσου ενίσχυσης της πολυσιλοξάνης. Ως γενικό συμπέρασμα μπορεί να αναφερθεί πως η χρήση του κατάλληλου τύπου μοντμοριλλονίτη ως μέσου ενίσχυσης πολυσιλοξανών για βιοϊατρικές εφαρμογές μπορεί να προσφέρει σημαντικά αναβαθμισμένη θερμική σταθερότητα, υψηλές μηχανικές αντοχές αλλά και βιοσυμβατότητα κοντά στα επίπεδα άλλων βιοδραστικών μέσων (υδροξυαπατίτης και βιοδραστικό γυαλί). Το βιοδραστικό γυαλί αποτελεί μια καινούργια πρόταση για την τροποποίηση πολυσιλοξανών για βιοϊατρικές εφαρμογές, παρά το γεγονός ότι δεν αναβαθμίζει τη μηχανική συμπεριφορά τους προσδίδει βελτιωμένα χαρακτηριστικά βιοσυμβατότητας.

Η πρωτοτυπία της παρούσας διατριβής στηρίζεται στα ακόλουθα στοιχεία: - Έγινε για πρώτη φορά εκτενής συγκριτική μελέτη, με συνδυασμό ρεολογικών, θερμικών και φασματοσκοπικών μεθόδων, της κινητικής της αντίδρασης βουλκανισμού για διάφορα νανοσύνθετα πολυσιλοξανών συμπύκνωσης και προσθήκης, ενώ ελήφθησαν δεδομένα για το σχεδιασμό και τον έλεγχο της αντίδρασης που συνδέεται με την πορεία μορφοποίησης των αντίστοιχων υβριδικών συστημάτων. - Έγινε συγκριτική μελέτη με σύνθετα άλλων βιοδραστικών κεραμικών, όπως με βιοδραστικό γυαλί, το οποίο εξετάσθηκε για πρώτη φορά ως μέσο τροποποίησης ελαστομερών πολυσιλοξάνης ενώ μέχρι τώρα είχε μελετηθεί ως μέσο τροποποίησης βιοαποικοδομήσιμων βιοϊατρικών πολυμερών. Εξετάσθηκαν διάφορες σχεδιαστικές παράμετροι, όσον αφορά τον τύπο της πολυσιλοξάνης και τα διάφορα μέσα ενίσχυσης, που ο συνδυασμός τους θα επιτρέψει κατά περίπτωση την κατασκευή αριστοποιημένων βιοϋλικών. -Πραγματοποιήθηκε εκτενής διερεύνηση της χρήσης νανοσυνθέτων μοντμοριλλονίτη, ως συστημάτων μήτρας για την αποδέσμευση υδρόφιλων φαρμακευτικών ουσιών με την προσαρμογή κατάλληλων μαθηματικών μοντέλων. - Εκτός από το χαρακτηρισμό της δομής και των θερμομηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων πολυσιλοξανών με μοντοριλλονίτη, εξετάσθηκαν κρίσιμες ιδιότητες για τις βιοϊατρικές τους εφαρμογές, ιδίως ως εμφυτεύματα μαλακών ιστών, όπως η in-vitro μελέτη ανάπτυξης υδροξυαπατίτητη μετά από εμβάπτιση σε διάλυμα προσωμοίωσης σωματικών υγρών καθώς και ο έλεγχος της βιωσιμότητας ινοβλαστών και οστεοβλαστών. Οι τελευταίες ιδιότητες εξετάζονται για πρώτη φορά σε υβριδικά συστήματα πολυσιλοξανών με μοντμοριλλονίτη και βιοδραστικό γυαλί.

Silicones are a class of polymer with many biomedical applications, such as maxillofacial prostheses, implants in plastic surgery, carriers in drug delivery systems and components in medical equipment. This type of elastomer exhibits high thermal and oxidative stability at high temperatures and maintain its elasticity and flexibility at very low temperatures. However, silicone polymers are characterized by poor mechanical properties and, therefore, reinforcing fillers must be added to overcome this drawback. The incorporation of fillers with particle size in the nano-scale has an influence on the properties of the deriving composites, even at very low concentrations, which ensures the retention of the other intrinsic properties. In the present study, hybrid polysiloxane systems containing inorganic nanoparticles were prepared, in an attempt to upgrade thermo mechanical properties and biocompatibility and to optimize their behavior in biomedical applications. Hydroxyl and vinyl terminated poly(dimethylsiloxane) (PDMS), following condensation and addition reaction respectively, were the silicone base elastomers used in this work. The molecular weight of the silicones matrices was another parameter studied in this work. Various types of fillers were used, i.e. an organically modified montmorillonite, under the trade names Cloisite 20A and Cloisite 30B, unmodified montmorillonite, treated silica, hydroxyapatite and bioactive glass. In order to identify the appropriate system for each biomedical application and, furthermore, to determine the design parameters that may affect the overall performance of the material, some critical properties of the hybrid silicone systems were studied. The effect of the filler on the vulcanization process is a key parameter for designing nanocomposites, as it affects the manner and time of molding and, furthermore, the structure and properties of final products. There are a limited number of reports in the literature, on the effect of filler on the vulcanization process of elastomers and more specifically of polysiloxanes. In our work, the effect of various inorganic reinforcing fillers on the curing reaction of condensation type PDMS was studied by Brookfield viscometer, differential scanning calorimetry (DSC) and infrared spectroscopy (FTIR-ATR). From the results of the above study, it was found that the introduction of all types of fillers, leads to faster reaction rate and completion, compared to that corresponding to pure polysiloxane, whereas this effect becomes stronger as the molecular weight of the matrix increases. The vulcanization reaction of medium molecular weight polysiloxane, as well as of its nanocomposites, was recorded through DSC experiments with sinusoidal heating rate, by varying the enthalpy of "cold" crystallization transition. It was observed that a decrease of the enthalpy of crystallization takes place, due to the increase of cross-linking sites, which restricts the mobility of free chain ends. A reduction of the reaction rate for pure PDMS was observed for the first 200min, followed by an acceleration of the reaction, whereas the hybrid systems showed a rather linear progress of the cross-linking reaction. The comparative study of the effect of various fillers showed that modified silica greatly accelerates the reaction, as compared with the system of pure polysiloxane, followed by the modified montmorillonite Cloisite 20A and modified montmorillonite Cloisite 30B. The curing reaction was further studied by ATR-infrared spectroscopy, as well as by FTIR, focusing on the change of the peak area 1200-900 cm-1, which corresponds to vibration of new cross-linking sites (Si-O-Si). The effect of various inorganic fillers on the vulcanization of vinyl terminated polysiloxane was studied via the reaction exotherm recorded by DSC, as well as from the changes of absorption peaks obtained by infrared spectroscopy. From the results of DSC under isothermal and non-isothermal conditions, it was found that the introduction of unmodified montmorillonite into the silicone base elastomer accelerates the vulcanization reaction, as compared with pure PDMS. The same effect takes places with hydroxyapatite, silica and Cloisite 20A hybrids in descending order. There is a retardation in the curing rate and the completion of reaction by Cloisite 30B nanocomposites, which is associated to the increased of elastomer polarity caused by the organic modification. For the calculation of kinetic parameters, such as activation energy, an autocatalytic model, the Kissinger and Ozawa equations were adjusted to isothermal and non-isothermal data, respectively. An extensive study of the thermomechanical properties was also made, in order to correlate the structure and properties of these nanocomposites. The resulting structure of montmorillonite nanocomposites was studied by X-ray diffraction (XRD) and it is confirmed that polymer chains penetrate between flake platelets and, as the content of organic modification increases, it is easier to disperse the filler into the polymer matrix. From thermogravimetric analysis (TGA) it was found that the introduction of the two organically modified clays (Cloisite 20A and Cloisite 30B) in condensation polysiloxanes, independently of their molecular weight, led to significantly enhanced thermal stability of the obtained nanocomposites, as suggested by the increase of the onset and maximum degradation rate temperature in all examined concentrations from 10-30oC. A similar behavior was determined with the incorporation of nano hydroxyapatite, whereas the incorporation of silica and bioactive glass reduced the thermal stability of the material. The incorporation of the two types of organically modified montmorillonite (Cloisite 20A and Cloisite 30B) to addition polysiloxane matrix, led to a reduction of thermal stability compared to pure polysiloxane. As observed by DSC, the introduction of all types of fillers used in this work, decreases the temperature of «cold» crystallization in condensation and addition polysiloxanes of all molecular weights, whereas the glass transition and melting temperatures remain intact. In addition, there is a small tendency of decrease in the crystallization and melting enthalpies of the nanocomposites as compared with pure silicone. In order to study the mechanical properties of the polysiloxane nanocomposites, tensile stress tests were conducted. The addition of Cloisite 20A to the low molecular weight condensation polysiloxane nanocomposites leads to higher increase of tensile stress as compared with that of composites with bioactive glass, silica and Cloisite 30B, while hydroxyapatite does not present a reinforcing effect. The modulus of elasticity greatly increases by the incorporation of the two types of organically modified montmorillonites as well as with silica, but remains almost stable by the addition of hydroxyapatite and bioactive glass. The reinforcing action of the studied commercial montmorillonites is also confirmed in the higher molecular weights of condensation polysiloxane, with Cloisite 20A showing the maximum reinforcing effect. In the addition type polysiloxane nanocomposites a small increase of mechanical properties was observed, with Cloisite 20A being again the best reinforcement. On the other hand, the modulus did nοt show any significant change within the range of the studied systems. The surface hardness and resistance to tearing of the nanocomposites are increased, in all the studied samples. The incorporation of Cloisite 20A led to higher values in all the range of molecular weights of both types of polysiloxane, as compared to the other types of fillers studied in this work. A small decrease in the tear resistance was determined in the composites of silica and hydroxyapatite. In order to explore the effect of the polysiloxane network density on the properties of the reinforced hybrid systems, swelling experiments in toluene at room temperature were run. From the above experiment, it is observed, a decrease in the percentage of swelling, in all types of polysiloxane as well as with the introduction of all types of fillers, while this decrease is enhanced as the concentration of nanofiller increases. A significant decrease of the swelling ratio in composites of condensation polysiloxanes reinforced with Cloisite 20A was observed, in comparison to the nanocomposites with Cloisite 30B. Moreover, the incorporation of silica and hydroxyapatite leads to a significant decrease of swelling ratio, in comparison to the pure polysiloxane. All the examined polysiloxane nanocomposites were tested for their behavior in selected biomedical applications, considering biocompatibility and other critical design parameters. Regarding the clinical problems encountered in the use of silicones in maxillofacial prosthetics applications, accelerated aging experiments were conducted in condensation polysiloxanes and their nanocomposites reinforced with organically modified montmorillonite (Cloisite 30B) and in reference specimens of pure silicone. The results of this study, suggest that reinforcing of pure silicone with organically modified montmorillonite Cloisite 30B leads to more stable structures with a smaller decrease of mechanical properties. Furthermore, the density of polymer network is diminished after the exposure of pure silicone to accelerated aging, while this parameter seems to remain unaffected in the case of the respective nanocomposites. It can be concluded by the study of the total color change, that the introduction of Cloisite 30B highly improves the color stability of the yellow and green pigmented polysiloxane. Furthermore, the release of hydrophilic metronidazole from polysiloxane systems and the corresponding nanocomposites with Cloisite 30B was investigated. The incorporation of the organically modified montmorillonite reduces the release rate and limits the “burst” effect. The increase of molecular weight of polysiloxanes, which is associated with a decrease of the network density, decreases the rate and the of release rate, which shows that the diffusion is not the main transport mechanism of metronidazole, for this specific matrix system. This behavior can be due to the formation of propanol, a by-product of the vulcanization reaction, whose concentration increases with the increase of hydroxyl end groups in the low molecular systems, as well as with the mechanism of solvation of the drug and the creation of channels that contribute to the process of diffusion. Comparing the two different types of polysiloxane, it is found that low molecular weight addition polysiloxane leads to lower levels of drug release as compared with the corresponding molecular weight of condensation polysiloxane. Immersion in simulated body fluid experiments was performed, in order to identify the creation of hydroxyapatite on the surface of the material, for the in-vitro investigation of bio-compatibility of the hybrid polysiloxane systems. The presence of calcium phosphate after 40 days of immersion in the fluid is ascertained by the results obtained by scanning electron microscopy. This behavior is also confirmed by FTIR. Scanning electron microscopy coupled with elemental analysis EDAX, showed hydroxyapatite surface cores, in all the examined systems, particularly after 40 days of immersion in the solution. This observation is important because the formation of hydroxyapatite layer favors the interfacial bonding of polysiloxane prostheses and implants with the surrounding bone and soft tissues. Finally, the cell viability (fibroblasts 3T3 and osteoblasts MG 63) was performed by the quantification of active mitochondrions in the studied cells (MTT assay) and by the study of cells morphology with an optical microscope. From the obtained results, it is indicated that the presence of all examined fillers leads to an increase of cell viability as compared with the environment of pure polysiloxane, leading at the same time to strong cell attachment, especially after the first 24 hours. In addition, biocompatibility was correlated with the type of filler and the type of the examined cell cultures. In this work, it was studied the vulcanization reaction for various condensation and addition type polysiloxane nanocomposites with different techniques and useful data for the design and control of reaction were obtained. In addition to the characterization of the structure and thermomechanical properties of silicone nanocomposites containing montorillonite, critical properties for their biomedical applications were investigated. Moreover, a comparative study was made with composites reinforced with other bioactive ceramics, such as bioactive glass, a filler recently referred to as a mean of modification of biodegradable biomedical polymers. Various design parameters were examined, regarding the type of silicone and filler, which will provide the tools for optimal design of final products based on biomaterials. Consequently, the use of the appropriate type of montmorillonite as biomedical silicone filler might ensure highly upgraded thermal stability, high mechanical strength as well as biocompatibility similar to that provided by other bioactive fillers (hydroxyapatite and bioactive glass). Bioactive glass is a new alternative for the modification of biomedical polysiloxanes, despite the fact that it does not significantly improve the mechanical behavior but enhances biocompatibility of polysiloxane matrix.