Ανάπτυξη νανοδομημένων ικριωμάτων για βιοϊατρικές εφαρμογές με βελτιωμένη μηχανική και βιολογική συμπεριφορά

Abstract

In this PhD thesis, synthesis of preliminary composite hydroxyapatite (HAP) ceramic pastes is carried out through liquid chemical biomimetic synthesis. The composite pastes are enhanced both biologically and mechanically, with the addition of prototype suspensions of ceria (CeO2) nanoparticles and silica-silver-ceria (SiO2-Ag-CeO2) core-shell nanostructures. Final composite scaffolds, namely HAP – CeO2 and HAP – (SiO2-Ag-CeO2), are manufactured from these pastes via freeze-drying technique and with the use of prototype molds. The advantage of utilization of the said molds for molding the aforementioned pastes is confirmed after examination of the internal microstructure and most importantly determination of the surface roughness of the scaffolds, through Optical Profilometry. Further mechanical strengthening of the HAP scaffolds is carried out through chemical cross-linking due to the combined use of glutaraldehyde (GA) and polyethylene oxide (PEO). In this way, HAP – GA – PEO composite scaffolds are manufactured, also through lyophilization technique. The final composite scaffolds are studied regarding their internal microstructure using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM). Determination of the phases present in the final samples and assessment of their crystallinity is performed via X-ray Diffraction Analysis (XRD), while their molecular structure is investigated through Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The mechanical properties of the final scaffolds are evaluated by examining their response to both dynamic and static loads. Specifically, Dynamic Mechanical Analysis (DMA) is used in order to examine their viscoelastic characteristics, while Unconfined Uniaxial Compression Testing (UCT) and cyclic loading tests are carried out to determine their strength. In addition, the porosity content of the scaffolds is estimated by both Image Analysis and Archimedes' method. Finally, the swelling and water uptake capacity of the scaffolds is evaluated and also, their passive resorption rate after immersion of the scaffolds into a phosphate buffer solution (PBS) for seven days. The biological properties of the scaffolds are evaluated indirectly, through antifungal tests that are performed on CeO2 and SiO2-Ag-CeO2 suspensions. For the characterization of composite CeO2 and SiO2-Ag-CeO2 suspensions, TEM and XRD were used, in order to study the microstructure of the nanoparticles and to determine the dominant phase in the final suspensions, respectively. FTIR analysis was carried out to study the molecular structure of the formed nanostructures during synthesis and to confirm their surface activation (functionalization) through the creation of complexes or polymer binding, to the extent that this was possible. X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) is used to determine the ratio of Ce3+/Ce4+ ions on the surface of CeO2 nanoparticles and also study the evolution of their surface chemical composition (oxidative state) over time. CeO2 suspension is also examined through Ultraviolet-Visible Spectroscopy (UV–Vis) in order to confirm PEGylation of CeO2 nanoparticles. For both CeO2 and SiO2-Ag-CeO2 suspensions, the size of the nanoparticles and the degree of polydispersity is estimated, via Dynamic Light Scattering (DLS). Finally, the stability of said suspensions is evaluated by determination of their relative z-potential value.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιείται σύνθεση αρχικών σύνθετων κεραμικών παστών υδροξυαπατίτη (HAP) μέσω υγρής χημικής σύνθεσης και σε βιομιμητικό περιβάλλον. Οι σύνθετες πάστες ενισχύονται τόσο βιολογικά όσο και μηχανικά με την προσθήκη πρωτότυπων σύνθετων αιωρημάτων νανοσωματιδίων δημητρίας (CeO2) και νανοδομών πυρήνα-κελύφους πυριτίας-αργύρου-δημητρίας (SiO2-Ag-CeO2). Από τις εν λόγω πάστες κατασκευάζονται σύνθετα τελικά ικριώματα HAP – CeO2 και HAP – (SiO2-Ag-CeO2), μέσω της τεχνικής της λυοφιλίωσης (freeze-drying) και με τη χρησιμοποίηση πρωτότυπων καλουπιών μορφοποίησης. Το πλεονέκτημα της χρήσης των εν λόγω καλουπιών για τις προαναφερθείσες πάστες, επιβεβαιώνεται χάριν της μελέτης της εσωτερικής μικροδομής των ικρωμάτων και κυρίως με τον προσδιορισμό της επιφανειακής τους τραχύτητας, μέσω της τεχνικής Οπτικής Προφιλομετρίας (Optical Profilometry). Επιπλέον, πραγματοποιείται περαιτέρω μηχανική ενίσχυση της σύνθετης κεραμικής σκόνης HAP μέσω χημικής διασύνδεσης (chemical cross-linking), με τη συνδυαστική χρήση των διασυνδετών γλουταραλδεΰδη (GA) και οξείδιο του πολυαιθυλενίου (PEO). Κατ’ αυτόν τον τρόπο κατασκευάζονται σύνθετα ικριώματα HAP – GA – PEO, επίσης μέσω της τεχνικής της λυοφιλίωσης. Τα τελικά σύνθετα ικριώματα μελετώνται ως προς την εσωτερική μικροδομή τους με χρήση των τεχνικών Μικροσκοπίας Σάρωσης Ηλεκτρονίων (SEM) και Μικροσκοπίας Διέλευσης Ηλεκτρονίων (TEM). Πραγματοποιείται επίσης, προσδιορισμός των φάσεων στα τελικά δείγματα και εκτίμηση της κρυσταλλικότητάς τους μέσω της Ανάλυσης με Περίθλαση Ακτίνων-X (XRD) και παράλληλα διερευνάται η μοριακή δομή τους μέσω Φασματοσκοπίας Υπερύθρου με Μετασχηματισμούς Fourier (FTIR). Οι μηχανικές ιδιότητες των τελικών ικριωμάτων αξιολογούνται μέσω ελέγχου της απόκρισής τους τόσο σε δυναμικά όσο και σε στατικά φορτία. Συγκεκριμένα, για την εξέταση των ιξωδοελαστικών χαρακτηριστικών τους χρησιμοποιείται η τεχνική της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης (DMA), ενώ για τον προσδιορισμό της αντοχής τους πραγματοποιούνται έλεγχοι αντοχής σε μονοαξονική θλίψη χωρίς περιορισμό (UCT) και σε κυκλική φόρτιση (cyclic loading). Συν τοις άλλοις, γίνεται συνεκτίμηση του πορώδους των ικριωμάτων μέσω δύο τεχνικών, αυτής της Ανάλυσης Εικόνας (Image Analysis) και της Mεθόδου του Αρχιμήδη (Archimedes’ method). Τέλος, εκτιμώνται η ικανότητα διόγκωσης (swelling) και απορροφητικότητας (water uptake) των ικριωμάτων και εξετάζεται το ποσοστό διάλυσής τους (passive resorption) σε περιβάλλον ρυθμιστικού διαλύματος φωσφορικών ιόντων (PBS) έπειτα από διάστημα επτά ημερών. Οι βιολογικές ιδιότητες των ικριωμάτων αξιολογούνται έμμεσα, μέσω αντιμυκητιακού ελέγχου ο οποίος πραγματοποιείται στα αιωρήματα CeO2 και SiO2-Ag-CeO2 που προστέθηκαν στις σύνθετες πάστες για την ενίσχυσή τους.Για τον χαρακτηρισμό των παραπάνω πρόσθετων σύνθετων αιωρημάτων ενίσχυσης, χρησιμοποιήθηκαν οι γνωστές τεχνικές TEM και XRD για τη μελέτη της μικροδομής των νανοσωματιδίων και για τον προσδιορισμό της κυρίαρχης φάσης στο τελικό αιώρημα, αντίστοιχα. Η ανάλυση FTIR πραγματοποιήθηκε για να μελετηθεί η μοριακή δομή των νανοδομών που σχηματίζονται κατά τη σύνθεση και να επιβεβαιωθεί, στον βαθμό που αυτό είναι δυνατό, η επιφανειακή ενεργοποίησή τους (functionalization), μέσω της δημιουργίας συμπλόκων ή πρόσδεσης μορίων πολυμερούς. Το σύνθετο αιώρημα CeO2 επιπρόσθετα εξετάζεται μέσω Φασματοσκοπίας Φωτοηλεκτρονίων Ακτίνων-Χ (XPS) για τον προδιορισμό της αναλογίας ιόντων Ce3+/Ce4+ στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων, καθώς και για τη μελέτη της εξέλιξης της επιφανειακής χημικής τους σύνθεσης (οξειδωτική κατάσταση) σε βάθος χρόνου. Το συγκεκριμένο αιώρημα εξετάζεται και μέσω Φασματοσκοπίας Υπεριώδους-Ορατού (UV–Vis) ούτως ώστε να επιβεβαιωθεί η πεγκυλίωση των νανοσωματιδίων CeO2. Και για τα δύο σύνθετα αιωρήματα, πραγματοποιείται μέτρηση του μεγέθους των νανοσωματιδίων και εκτίμηση του βαθμού πολυδιασποράς τους στο αντίστοιχο αιώρημα μέσω της τεχνικής της Δυναμικής Σκέδασης Φωτός (DLS). Τέλος, αξιολογείται η σταθερότητα των εν λόγω αιωρημάτων μέσω προσδιορισμού του ζ-δυναμικού τους (z-potential).