Yβριδικά νανοσύνθετα πολυσιλοξάνης με βιοδραστικά πληρωτικά για βιοϊατρικές εφαρμογές

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε μελέτη υβριδικών συστημάτων πολυσιλοξάνης, με σκοπό το χαρακτηρισμό των θερμομηχανικών τους ιδιοτήτων αλλά και την αξιολόγηση της βιοσυμβατότητάς τους για αξιοποίηση σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Οι πολυσιλοξάνες έχουν ευρεία χρήση σε βιοϊατρικές εφαρμογές δεδομένης της προσαρμοστικότητας που επιδεικνύουν, της εμπορικής τους διαθεσιμότητας, της ευκολίας χειρισμού και της βιοσυμβατότητάς τους. Επίσης, χαρακτηρίζονται από χημική αδράνεια, υψηλή συμβατότητα με το αίμα, χαμηλή τοξικότητα, καλή θερμική κι οξειδωτική σταθερότητα, χαμηλό μέτρο ελαστικότητας, εύκολη μορφοποίηση και χαμηλό κόστος παραγωγής. Οι μηχανικές όμως ιδιότητες, που τις χαρακτηρίζουν δεν ανταποκρίνονται πάντα στις απαιτήσεις των βιοϊατρικών εφαρμογών. Για την κάλυψη αυτών των παραμέτρων, στην εργασία αυτή γίνεται παρασκευή υβριδικών συστημάτων στα οποία έχει χρησιμοποιηθεί ως ελαστομερική μήτρα πολυσιλοξάνη με ακραίες υδροξυλικές ομάδες, που ακολουθεί βουλκανισμό συμπύκνωσης και στην οποία έχει γίνει ενσωμάτωση διαφόρων ανόργανων μέσων ενίσχυσης. Η εισαγωγή του μέσου ενίσχυσης στην κλίμακα των νανο-διαστάσεων, ακόμα και σε μικρές αναλογίες, αναμένεται να βελτιώσει τη βιολογική απόκριση της σιλικόνης με ταυτόχρονη ενίσχυση των μηχανικών της ιδιοτήτων, χωρίς να επηρεάζει τη βασική χημική της σύσταση. Η ποιοτική αυτή κατάταξη των χρησιμοποιούμενων μέσων ενίσχυσης δρα υπέρ της επίτευξης μεγαλύτερης βιοσυμβατότητας των υβριδικών συστημάτων, δεδομένου ότι στα «in vivo» συστήματα τα κύτταρα αλληλεπιδρούν με μόρια τα οποία βρίσκονται στην κλίμακα των νανομέτρων. Τα μέσα ενίσχυσης, που χρησιμοποιήθηκαν ήταν νανοσωματίδια διοξειδίου του πυριτίου (Aerosil 130), νανοσωματίδια διοξειδίου του πυριτίου τροποποιημένα με διμεθυλ- διχλωροσιλάνιο (AerosilR972) και βιοδραστικό γυαλί (BG), σε περιεκτικότητες από 0 έως 10 phr. Εκτός των προαναφερθέντων μέσων τροποποίησης της πολυσιλοξάνης, για συγκριτικούς λόγους με προηγούμενη ερευνητική εργασία, πραγματοποιήθηκε μελέτη των δυναμομηχανικών ιδιοτήτων (DMA) και της βιοσυμβατότητας σε υβριδικά συστήματα που ενισχύθηκαν με δύο εμπορικούς τύπους οργανικά τροποποιημένου μοντμοριλλονίτη (Cloisite 20A, Cloisite 30B) καθώς και με υδροξυαπατίτη (HA). Διαπιστώθηκε ότι η επίδραση του ενσωματωμένου στην ελαστομερική μήτρα, μέσου ενίσχυσης αποτελεί βασική σχεδιαστική παράμετρο των νανοσυνθέτων, επηρεάζοντας τόσο τον τρόπο και το χρόνο μορφοποίησής τους, όσο και τη δομή και κατ΄ επέκταση τις τελικές θερμομηχανικές τους ιδιότητες. Για να επιτευχθούν οι βέλτιστες ιδιότητες των νανοσυνθέτων σημαντική παράμετρο αποτελεί η καλή διασπορά του μέσου ενίσχυσης στην ελαστομερική μήτρα, η οποία ,στην εργασία αυτή, πραγματοποιήθηκε με τη χρήση υπερήχων. Διπλωματική Εργασία Ι-Γ.Ι. Αθανασούλια x Η μελέτη της ρεολογικής συμπεριφοράς κατά το βουλκανισμό της πολυσιλοξάνης και των νανοσυνθέτων της, πραγματοποιήθηκε μέσω της ιξωδομετρίας Brookfield (για την καθαρή σιλικόνη και τα νανοσύνθετά της με τροποποιημένο και μη διοξείδιο του πυριτίου σε περιεκτικότητες 2, 5 κι 8 phr). Επίσης, με βάση την παρατήρηση ότι όσο προχωρά ο βουλκανισμός περιορίζεται η ικανότητα κρυστάλλωσης του ελαστομερούς και η αντίστοιχη ενθαλπία που τη συνοδεύει, έγινε παρακολούθηση της αντίδρασης με τη χρήση διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC) για σύστημα Aerosil R972/PDMS (2phr) και την πολυσιλοξάνη αναφοράς. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν, η ενσωμάτωση αυτών των μέσων ενίσχυσης και η αύξηση της συγκέντρωσής τους ευνοεί την ταχύτερη εξέλιξη κι ολοκλήρωση της αντίδρασης βουλκανισμού, σε σύγκριση με την μη ενισχυμένη πολυσιλοξάνη. Στη συνέχεια, η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) σε αδρανές περιβάλλον, οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η εισαγωγή των νανοσωματιδίων διοξειδίου του πυριτίου και βιοδραστικού γυαλιού στην ελαστομερική μήτρα δε συμβάλει στη βελτίωση της θερμικής της σταθερότητας, με μια μικρή εξαίρεση των νανοσυνθέτων του Aerosil 130 σε αναλογίες 3.5 και 5 phr. Η ενσωμάτωση και των τριών ανόργανων μέσων ενίσχυσης οδηγεί σε προσαύξηση του υπολείμματος καύσης με δεδομένο ότι δεν καίγονται και πιθανά τροποποιούν το μηχανισμό θερμικής αποδόμησης και τα τελικά προϊόντας της. Από την περαιτέρω εξέταση με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) της επίδρασης των εξεταζομένων μέσων ενίσχυσης στις θερμικές μεταπτώσεις της PDMS, διαπιστώθηκε ότι η ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων διοξειδίου του πυριτίου (Aerosil 130) στην ελαστομερική μήτρα διατήρησε την Tg στα επίπεδα της καθαρής σιλικόνης, εμφανίζοντας μία μικρή τάση μείωσης στα νανοσύνθετα του διοξειδίου του πυριτίου η οποία είναι πιο αισθητή στην περίπτωση των τροποποιημένων σωματιδίων. Όσον αφορά στα νανοσύνθετα του βιοδραστικού γυαλιού (BG), αυτά παρουσίασαν αύξηση της Tg σε χαμηλές περιεκτικότητες (2 & 5 phr), σε σύγκριση με την καθαρή σιλικόνη. Η εισαγωγή και των τριών μέσων ενίσχυσης οδήγησε σε μείωση των ενθαλπιών τήξης και κρυστάλλωσης, η οποία όμως ήταν ανεξάρτητη της συγκέντρωσής του στο νανοσύνθετο. Από τις δοκιμές σε εφελκυσμό διαπιστώθηκε ότι η εισαγωγή του διοξειδίου του πυριτίου, σε τροποποιημένη και μη τροποποιημένη μορφή, παρουσίασε μεγαλύτερη ενισχυτική ικανότητα τόσο στην αντοχή όσο και στο μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσμό, σε σύγκριση με τα δοκίμια του καθαρού ελαστομερούς, ενώ ακολούθησαν αυτά που ενισχύθηκαν με βιοδραστικό γυαλί (BG). Η ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων BG διατήρησε το μέτρο ελαστικότητας περίπου στα επίπεδα της μη ενισχυμένης πολυσιλοξάνης. Όσον αφορά την επιμήκυνση θραύσης, όλα τα νανοσύνθετα παρουσίασαν σημαντική αύξηση σε σχέση με την καθαρή πολυσιλοξάνη, και τις μεγαλύτερες τιμές έδωσαν τα υβριδικά συστήματα του BG. Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με το αραιότερο πλέγμα που εμφάνισαν τα σύνθετα αυτά, όπως διαπιστώθηκε και από τα πειράματα διόγκωσης σε τολουένιο. Τα νανοσύνθετα του Aerosil 130 και του βιοδραστικού γυαλιού παρουσίασαν σημαντική βελτίωση στην αντοχή σε σχισμό, σε σχέση με την μη ενισχυμένη πολυσιλοξάνη, κι ακολούθησαν τα νανοσύνθετα του τροποποιημένου διοξειδίου του πυριτίου (AerosilR972). Περίληψη xi Από τις μετρήσεις σκληρότητας (κλίμακα Shore A), διαπιστώθηκε ότι η ενσωμάτωση του μη τροποποιημένου διοξειδίου του πυριτίου και του βιοδραστικού γυαλιού μειώνει τη σκληρότητα της ελαστομερικής μήτρας, ενώ μικρή αύξηση παρουσίασαν τα νανοσύνθετα του Aerosil R972 στην περιοχή των υψηλών περιεκτικοτήτων (5 & 8 phr). Η μελέτη της πυκνότητας του πλέγματος με πειράματα εμβάπτισης σε τολουένιο δοκιμίων των νανοσυνθέτων σε θερμοκρασία δωματίου έδειξε ότι τα νανοσύνθετα του BG εμφάνισαν τα υψηλότερα ποσοστά διόγκωσης στις εξεταζόμενες περιεκτικότητες μέσου ενίσχυσης (2, 5, 8 phr), τα οποία για τη χαμηλή περιεκτικότητα των 2 phr πλησίασαν την καθαρή σιλικόνη. Ακολούθησαν τα νανοσύνθετα του τροποποιημένου διοξειδίου του πυριτίου τα οποία εμφάνισαν μεγαλύτερο ποσοστό διόγκωσης στις ίδιες αναλογίες, συγκριτικά με το μη τροποποιημένο σύστημα. Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με την αντίσταση στη διάχυση του διαλύτη που παρουσιάζουν τα ανόργανα σωματίδια αλλά και με τις τυχόν φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις με την ελαστομερική μήτρα. Από τα πειράματα της δυναμομηχανικής ανάλυσης (DMA) στα εξεταζόμενα συστήματα πολυσιλοξάνης, διαπιστώθηκε ότι για νανοσύνθετα με συγκέντρωση 2 phr την καλύτερη συμπεριφορά ως προς το μέτρο αποθήκευσης έδωσαν αυτά που ενισχύθηκαν με Cloisite 30B, ακολουθεί το Aerosil 130 και το BG με παρόμοια συμπεριφορά όπως τα δοκίμια της καθαρής σιλικόνης. Τα δοκίμια των τροποποιημένων νανοσωματιδίων διοξειδίου του πυριτίου (AerosilR972) οδήγησαν σε μείωση του μέτρου αποθήκευσης. Όσον αφορά τη συμπεριφορά των εξεταζόμενων μέσων ενίσχυσης σε αναλογία 5 phr, διαπιστώθηκε ότι τα υβριδικά συστήματα Cloisite 20A/PDMS και Aerosil 130/PDMS εμφάνισαν τη μεγαλύτερη αύξηση στο μέτρο αποθήκευσης, ενώ αυτά που ενισχύθηκαν με BG και Cloisite 30B δεν παρουσίασαν κάποια βελτίωση. Ο υπολογισμός της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης της πολυσιλοξάνης με την τεχνική αυτή έδειξε ότι για τα εξεταζόμενα μέσα ενίσχυσης παρατηρείται μείωση των τιμών της για τα νανοσύνθετα των 2 phr σε σύγκριση με τα αντίστοιχα των 5 phr. Από τον «in vitro» έλεγχο της βιοσυμβατότητας των υβριδικών συστημάτων πολυσιλοξάνης, με εμβάπτιση σε διάλυμα προσομοίωσης των σωματικών υγρών, μετά από 40 ημέρες διαπιστώθηκε η δημιουργία επιφανειακού υδροξυαπατίτη σε όλα τα εξεταζόμενα υβριδικά συστήματα πολυσιλοξάνης. Η εξέταση της επιφάνειας των εμβαπτισμένων δοκιμίων με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης καθώς και η στοιχειακή ανάλυση EDAX έδειξε πυρήνες υδροξυαπατίτη σε όλα τα εξεταζόμενα δοκίμια πολυσιλοξάνης από την έβδομη μέρα εμβάπτισης, με την υψηλότερη συγκέντρωση να εμφανίζεται μετά το πέρας των 40 ημερών. Μέσω της φασματοσκοπίας υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR-ATR), και δεδομένης της ευαισθησίας της μεθόδου και του ορίου ανίχνευσής της, δεν παρατηρήθηκε διαφοροποίηση των φασμάτων μετά την παραμονή των δοκιμίων για 7, 14, και 21 ημέρες στο υγρό εμβάπτισης. Μόνο μετά το πέρας των 40 ημερών εμβάπτισης, έγινε εμφανής η διπλή χαρακτηριστική κορυφή του κρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου δ(P-O-P) στην περιοχή 601-568cm-1, σε όλους τους εξεταζόμενους τύπους νανοσυνθέτων εκτός αυτών του Cloisite 30B. Από την τεχνική της περίθλασης ακτίνων Χ, δεν έγινε εμφανής κορυφή που να αποδίδεται στην παρουσία υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια των νανοσυνθέτων, παρά μόνο στην περίπτωση των νανοσυνθέτων του υδροξυαπατίτη μετά το πέρας των 40 ημερών στο διάλυμα SBF όπου και Διπλωματική Εργασία Ι-Γ.Ι. Αθανασούλια xii διαπιστώθηκε μικρή αύξηση στην ένταση και στο εμβαδόν της ήδη υπάρχουσας κορυφής του μέσου ενίσχυσης. Ο έλεγχος βιωσιμότητας πραγματοποιήθηκε σε δύο κυτταρικές σειρές [(ινοβλαστική (3Τ3) και οστεοβλαστική (MG 63) σειρά)], μετά από κυτταροκαλλιέργεια για 24, 48 και 72h κι έδειξε ότι η παρουσία όλων των εξεταζόμενων ανόργανων μέσων ενίσχυσης οδηγεί σε αύξηση της βιωσιμότητας των κυττάρων σε σύγκριση με τη μη ενισχυμένη πολυσιλοξάνη, ενώ ταυτόχρονα διαπιστώθηκε και ισχυρότερη κυτταρική πρόσδεση, ιδιαίτερα στις καλλιέργειες κατά τις πρώτες 24 ώρες. Η κυτταρική αυτή πρόσδεση εξασθενεί με το πέρας 48 και 72h στις καλλιέργειες, γεγονός, που πιθανώς οφείλεται σε πιθανή αποκόλληση της καλλιέργειας από την υδρόφοβη επιφάνεια της πολυσιλοξάνης. Ως γενικό συμπέρασμα πρέπει να αναφερθεί ότι ανάλογα με τις απαιτήσεις της συγκεκριμένης βιοϊατρικής εφαρμογής των πολυσιλοξανών πρέπει να γίνει επιλογή του κατάλληλου ανόργανου μέσου τροποποίησής τους. Το διοξείδιο του πυριτίου αποτελεί ένα κλασσικό μέσο ενίσχυσης το οποίο στη μορφή νανοσωματιδίων, όπως εξετάσθηκε στην εργασία αυτή, προσφέρει πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες χωρίς να αναβαθμίζει τη θερμική σταθερότητα των ενισχυμένων πολυσιλοξανών συμπύκνωσης, ενώ η βιοσυμβατότητα τους δεν απέχει πολύ από υβριδικά συστήματα άλλων βιοδραστικών μέσων. Το βιοδραστικό γυαλί αποτελεί μια καινούργια πρόταση για την τροποποίηση πολυσιλοξανών κατάλληλων για βιοϊατρικές εφαρμογές, λόγω ότι τους προσδίδει βελτιωμένα χαρακτηριστικά βιοσυμβατότητας παρά το γεγονός ότι δεν αναβαθμίζει τη μηχανική τους συμπεριφορά.

In the present study, hybrid polysiloxane systems were prepared and studied in order to be fully characterized in terms of their thermal and mechanical properties. Another target of this study was the confirmation of their biocompatibility, for further use in biomedical applications. Polysiloxanes are being widely used in biomedical applications, given their thermal and oxidative stability at high temperature conditions, as well as their capability of maintaining their flexibility and elasticity at low temperatures. However, the mechanical properties characterizing them do not meet the requirements of biomedical applications. In the interest of meeting these parameters, the composition of hybrid systems takes place, using hydroxyl terminated polysiloxane, following condensation reaction, as polymer matrix, in which inorganic nanoparticles have been incorporated. The incorporation of the nano- dimensioned filler, even in small proportions, has an ameliorative effect on the resulting system, without affecting its basic chemical composition. This qualitative ranking of the used fillers, promotes the achievement of even greater biocompatibility of hybrid systems, since in the «in vivo» systems, cells interact with nanostructured surfaces. An optimal way of dispersion of the nanoparticles in the elastomeric matrix was achieved using ultrasound aid instrument. The fillers that are being characterized as long as their thermomechanical properties are concerned, are nanoparticles of silica (Aerosil 130), modified with dimethyl dichlorosilane silica (Aerosil R972) and bioactive glass (BG). The hybrid systems, studied for their biocompatibility, also include nanoparticles of two commercial types of organically modified montmorillonite (Cloisite 20A, Cloisite 30B) and hydroxyapatite (HA). 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 is a limited number of reports in the literature, concerning the effect of filler on the vulcanization process of elastomers and more specifically of polysiloxanes. In this study, the effect of Aerosil R972 inorganic reinforcing nanoparticles on the curing reaction of condensation type PDMS was studied by Brookfield viscometer and differential scanning calorimetry (DSC). From the results of the above study, it was found that the introduction of this filler, leads to faster reaction rate and completion, compared to that corresponding to pure polysiloxane. 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 system showed a rather linear progress of the cross-linking reaction. Furthermore, modified silica greatly accelerates the reaction, as compared with the system of pure polysiloxane. Διπλωματική Εργασία Ι-Γ.Ι. Αθανασούλια xiv From thermogravimetric analysis (TGA) it was found that the incorporation of the two types of silica and of the bioactive glass to the polysiloxane matrix, led to a reduction of thermal stability compared to pure polysiloxane. As observed by DSC, the introduction of the three types of fillers used in this work provokes a small tendency of decrease in the crystallization and melting enthalpies of the nanocomposites as compared with pure silicone, whereas the glass transition and melting temperatures remain slightly intact. In order to study the mechanical properties of the polysiloxane nanocomposites, tensile stress tests were conducted. The addition of silica to the polysiloxane nanocomposites leads to higher increase of the tensile stress as well as of the modulus of elasticity, compared with that of composites with modified silica, while the incorporation of bioactive glass does not contribute to the reinforcement of the matrix. Although, the modulus of elasticity of the elastomeric matrix remains almost stable by the addition of bioactive glass nanoparticles, elongation at break is greatly increased, compared with the hybrid systems of the two types of silica. The incorporation of silica nanoparticles led to a higher improvement of resistance to tearing of pure PDMS, compared with the bioactive glass nanoparticles, whereas modified silica did not affect its resistance to tearing. The surface hardness of the nanocomposites is smaller than pure polysiloxane’s. Only the incorporation of modified silica in the highest concentration examined led to a higher value, compared with pure PDMS. 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 these experiments, a decrease in the percentage of swelling, with the introduction of all types of fillers, was observed, while this decrease was enhanced as the concentration of nanofiller increased. A smaller decrease in the swelling ratio of composites reinforced with bioactive glass was observed, in comparison to the nanocomposites of silica and modified silica, that led to a significant decrease of swelling ratio, in comparison with the pure polysiloxane. Regarding the conduct of Dynamic Mechanical Analysis (DMA) in the examined polysiloxane systems at the given temperature range, the incorporation of the reinforcement fillers in the ratio of 2 phr, leads to a reduction of glass transition temperature, while in the ratio of 5 phr, to an increase. In the ratio of 2 phr, it was found that the nanocomposites of Cloisite 30B show significant enhancing effect in storage modulus, followed by those of Aerosil 130 and BG, with behavior similar to pure silicone, while those of the modified silica nanoparticles lead to a reduction of the storage modulus. In the ratio of 5 phr, it was found that in the examined temperature range the incorporation of BG and Cloisite 30B nanoparticles did not have a reinforcing effect in the storage modulus of the elastomeric matrix. In contrast, hybrid systems Cloisite 20A/PDMS and Aerosil 130/PDMS showed the largest increase in the storage modulus. Reinforcing, but to a smaller extent appeared to be the nanocomposites of modified silica and hydroxyapatite. All the examined polysiloxane nanocomposites were tested for their behavior in selected biomedical applications, considering biocompatibility and other critical design Abstract xv parameters. 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. Consequently, the use of the appropriate type of inorganic nanoparticles 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.