Απομόνωση και τροποποίηση βιοπολυμερών θαλάσσιας προέλευσης και ανάπτυξη ικριωμάτων από μικρο-/νανοΐνες για τη θεραπεία της περιοδοντίτιδας

Abstract

In the framework of the present PhD thesis carrageenans and fucoidans were isolated from various specimens of the red alga Chondracanthus teedei and the brown alga Cystoseira barbata, respectively, using different extraction methods. Τhe isolated marine sulfated polysaccharides were characterized based on the analysis of their spectroscopic data using infrared spectroscopy (FT-IR). Additionally, the sulfate content of the isolated polysaccharides was determined using the turbidimetric method and the mean molecular weight was estimated using size exclusion chromatography (SEC). Moreover, the viscosity of the isolated carrageenans was determined, whereas the thermal properties of the polysaccharides were evaluated using thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). In addition, the effect of high-power ultrasound on the molecular weight and sulfate content of the polysaccharides was investigated. Subsequently, bi- and tri-layer nanofibrous membranes composed of calcium or sodium salts of carrageenans, as well as of other biodegradable polymers of hydrophilic and hydrophobic nature, such as calcium salt of poly(L-glutamic acid), polyethylene oxide and polycaprolactone, were successfully prepared so as to act as guided tissue/bone regeneration (GTR/GBR) membranes for the treatment of periodontitis. The fibrous structure of the fabricated membranes was analyzed using scanning electron microscopy (SEM), their thermal stability was determined using thermogravimetric analysis (TGA) and their mechanical properties were evaluated. The study of the degradation rate of the membranes revealed that all membranes remained stable for up to 28 days of incubation at 37 °C in a simulated saliva solution, while exhibiting a sustained release of calcium ions for at least three weeks, demonstrating their potential to act as a constant source of calcium ions for the promotion of the osteoblasts’ growth and bone regeneration. The ability of all membranes to promote the regeneration of the periodontal tissue was confirmed in vitro using human periodontal ligament (PDL) cells. Finally, antimicrobial agents were successfully incorporated into the nanofibrous membranes and the drug release profile of the membranes was determined. The present study demonstrates the potential of the designed membranes based on calcium salts of carrageenans to serve as guided tissue/bone regeneration membranes for the treatment of periodontitis.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής εφαρμόζοντας διαφορετικές μεθόδους εκχύλισης πραγματοποιήθηκε η απομόνωση καρραγενανών και φουκοϊδανών από διάφορα δείγματα του ροδοφύκους Chondracanthus teedei και του φαιοφύκους Cystoseira barbata, αντίστοιχα. Oι θαλάσσιοι θειικοί πολυσακχαρίτες που απομονώθηκαν χαρακτηρίστηκαν ως προς τη δομή τους με βάση την ανάλυση των φασματοσκοπικών τους δεδομένων χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR). Επιπλέον, το ποσοστό των θειικών τους εστέρων προσδιορίστηκε με την θολωσιμετρική μέθοδο, ενώ το μέσο μοριακό τους βάρος μετρήθηκε με χρωματογραφία αποκλεισμού μεγεθών (SEC). Επίσης, πραγματοποιήθηκε μελέτη του ιξώδους υδατικών διαλυμάτων των καρραγενανών, ενώ πραγματοποιήθηκε και θερμική ανάλυση των πολυσακχαριτών με την χρήση θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA) και διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC). Ακόμη, οι πολυσακχαρίτες υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπέρηχους υψηλής ισχύος ώστε να μελετηθεί η επίδραση των υπερήχων στο μοριακό τους βάρος και στο ποσοστό των θειικών τους εστέρων. Στην συνέχεια, παρασκευάστηκαν με επιτυχία δι- και τρι-στρωματικές νανοϊνώδεις μεμβράνες αποτελούμενες από μετ’ ασβεστίου ή μετά νατρίου άλατα καρραγενανών σε συνδυασμό με άλλα βιοσυμβατά πολυμερή, όπως το μετ’ ασβεστίου άλας του πολυ(L-γλουταμικού οξέος), το οξείδιο του πολυ(αιθυλενίου) και η πολυ(ε-καπρολακτόνη), ώστε να λειτουργήσουν ως μεμβράνες κατευθυνόμενης ιστικής/οστικής αναγέννησης (GTR/GBR) για την αντιμετώπιση της περιοδοντικής νόσου. Η μορφολογία των παρασκευασθεισών νανοϊνώδων μεμβρανών εξετάστηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), η θερμική σταθερότητα τους προσδιορίστηκε μέσω θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA), ενώ αξιολογήθηκαν και οι μηχανικές τους ιδιότητες. Η αξιολόγηση του χρόνου αποικοδόμησης των μεμβρανών έδειξε ότι όλες οι μεμβράνες που παρασκευάστηκαν παρέμειναν σταθερές για τουλάχιστον 28 ημέρες έπειτα από παραμονή σε διάλυμα προσομοίωσης σιέλου στους 37 ℃. Ακόμη, παρουσίασαν παρατεταμένη απελευθέρωση ιόντων ασβεστίου για τουλάχιστον 3 εβδομάδες, υποδεικνύοντας την ικανότητα τους να λειτουργούν ως σταθερή πηγή ιόντων ασβεστίου για να προάγουν τον πολλαπλασιασμό των οστεοβλαστών και την οστεογένεση. Η ικανότητα των παρασκευασθεισών μεμβρανών να προάγουν την αναγέννηση του περιοδοντίου επιβεβαιώθηκε in vitro σε ανθρώπινα κύτταρα του περιοδοντικού συνδέσμου (PDL). Τέλος, ενσωματώθηκαν επιτυχώς αντιβιοτικοί παράγοντες στις νανοϊνώδεις μεμβράνες και προσδιορίστηκε ο ρυθμός απελευθέρωσης τους. Τα θετικά αποτελέσματα της μελέτης υποδεικνύουν ότι οι σχεδιασμένες νανοϊνώδεις μεμβράνες με βασικό συστατικό τα μετ’ ασβεστίου άλατα καρραγενανών μπορούν να λειτουργήσουν ως μεμβράνες κατευθυνόμενης ιστικής/οστικής αναγέννησης για την αντιμετώπιση της περιοδοντικής νόσου.