Ανάπτυξη νέων σύνθετων υλικών βιοπολυμερούς-βιοκεραμικού για εφαρμογές ιστομηχανικής
Authors: Τσιόπτσιας Κωνσταντίνος 
Published: January 2014

Το κύριο αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων υλικών κατάλληλων για εφαρμογές ιστομηχανικής. Τα βασικά επιθυμητά γνωρίσματα ενός ικριώματος ιστομηχανικής είναι η βιοαποικοδομησιμότητα, η βιοσυμβατότητα, και η ύπαρξη πορώδους δομής. Τα δύο πρώτα γνωρίσματα μπορούν να εξασφαλιστούν εύκολα επιλέγοντας την κατάλληλη πρώτη ύλη για την κατασκευή του ικριώματος (π.χ. ένα φυσικό πολυμερές), οπότε το αντικείμενο της διατριβής επικεντρώνεται στην παραγωγή πορωδών δομών σε βιοαποικοδομήσιμα-βιοσυμβατά πολυμερή. Αρχικά παρήχθησαν επιτυχώς ινώδεις δομές πολυ(υδροξυ-βουτυρικού εστέρα) (ΡΗΒ) και οξικής κυτταρίνης με την τεχνική της ηλεκτροστατικής ινοποίησης (electrospinning). Οι δομές που προέκυψαν είχαν μέση διάμετρο ινών μεταξύ 0,6 και 3 μm. Στα ινώδη ικριώματα ΡΗΒ έγινε εγκλεισμός πυροξικάμης ενώ στις ίνες οξικής κυτταρίνης έγινε εγκλεισμός αμοξικιλλίνης. Και στις δύο περιπτώσεις το ποσοστό εγκλεισμού ήταν μικρό. Βρέθηκε ότι αύξηση της συγκέντρωσης φαρμάκου στο αρχικό διάλυμα δεν οδηγεί απαραίτητα σε αύξηση του ποσοστού εγκλεισμού. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της απομάκρυνσης σωματιδίων για την παραγωγή πορωδών δομών χιτίνης. Αρχικά τα σωματίδια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν υδατοδιαλυτά σύμφωνα με όσα αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Βρέθηκε ότι η μέθοδος αυτή δεν μπορεί να εφαρμοστεί με μεγάλη επιτυχία σε υδρόφιλα πολυμερή (και σε σύνθετα υλικά αυτών) όπως η χιτίνη, εξαιτίας της ταυτόχρονης απομάκρυνσης του διαλύτη του πολυμερούς και του μέσου πορογένεσης. Για αυτό έγινε χρήση μη υδατοδιαλυτών σωματιδίων. Η παραλλαγή αυτή της μεθόδου εφαρμόστηκε με επιτυχία στη χιτίνη, την κυτταρίνη, τη χιτοζάνη και σε σύνθετα υλικά χιτίνης-υδροξυαπατίτη, κυτταρίνης-υδροξυαπατίτη και χιτοζάνης-ζελατίνης. Οι δομές παρουσίαζαν μεγάλη ομοιομορφία, υψηλό πορώδες και αρκετά υψηλό βαθμό διασύνδεσης. Η χρήση ιοντικών υγρών ως διαλυτών, στην περίπτωση της κυτταρίνης διευκολύνει την όλη διεργασία και την παραγωγή σύνθετων υλικών. Με την εφαρμογή της μεθόδου απομάκρυνσης μη υδατοδιαλυτών σωματιδίων in situ πάνω σε κεραμικά δοκίμια επιτεύχθηκε σύνδεση ικριωμάτων χιτίνης, χιτοζάνης και χιτοζάνης-ζελατίνης με τα εν λόγω δοκίμια. Με φασματοσκοπία υπερύθρου μελετήθηκε η σύνδεση και βρέθηκε ότι οφείλεται στην αλληλεπίδραση με δυνάμεις διασποράς ομάδων των πολυμερών με το κεραμικό δοκίμιο. Το κεραμικό υλικό συνδεδεμένο με το ικρίωμα αποτελεί ένα σύνθετο βιοϋλικό. Άλλα σύνθετα βιοϋλικά που αποτελούνται από δύο ή τρία ικριώματα παρήχθησαν με συνδυασμό διαφόρων τεχνικών. Η σύνδεση μεταξύ των ικριωμάτων επιτεύχθηκε είτε λόγω δυνάμεων διασποράς είτε λόγω δεσμών υδρογόνου. Ένα τέτοιο υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ανάπλαση πολλαπλών ιστών ή διεπιφάνειας ιστών. Με χρήση υπερκρίσιμου CO2 και με τη μέθοδο αφρισμού πολυμερών με ανύψωση της θερμοκρασίας έγινε παραγωγή πορωδών δομών πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα). Εξετάστηκε η επίδραση του πάχους δοκιμίων στο μέγεθος πόρων. Σε όλες τις περιπτώσεις η μέση διάμετρος πόρων ήταν κάτω του 1 μm και βρέθηκε ότι με αύξηση του πάχους του δοκιμίου προκαλείται αύξηση της μέσης διαμέτρου και αύξηση της διασποράς. Τα αποτελέσματα εξηγήθηκαν ποιοτικά με τον θεωρητικό προσδιορισμό της ενέργειας ενεργοποίησης ομογενούς εμπυρήνωσης, λαμβάνοντας υπόψη την κινητική της μεταφοράς μάζας και θερμότητας στα δοκίμια αυτά. Για την παραγωγή πορωδών δομών σε κρυσταλλικά πολυμερή όπως η χιτίνη και η κυτταρίνη, με υπερκρίσιμο CO2, χρησιμοποιήθηκε μια νέα μέθοδος που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής, ο αφρισμός υδροπηκτών. Παρήχθησαν πορώδεις δομές χιτίνης, κυτταρίνης και σύνθετων υλικών κυτταρίνης-υδροξυαπατίτη και κυτταρίνης-οξειδίου του πυριτίου με μέση διάμετρο πόρων μεταξύ 30 και 150 μm. Βρέθηκε ότι η αύξηση της πίεσης και η ελάττωση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση της μέσης διαμέτρου. Η ατελής εκρόφηση του CO2 από την υδροπηκτή σε μερικές περιπτώσεις (που προκαλείται από τη ψύξη λόγω του φαινομένου Joule-Thomson) οδηγεί σε αυξημένη διασύνδεση μεταξύ των πόρων. Αν αντί για υδροπηκτές χρησιμοποιηθούν αλκοολο-πηκτές βρέθηκε ότι με την τεχνική ξήρανσης κρίσιμου σημείου (με χρήση υπερκρίσιμου CO2) μπορούν να παραχθούν νανοπορώδεις αεροπηκτές χιτίνης και κυτταρίνης. Εξετάστηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων στα χαρακτηριστικά των υλικών. Επίσης έγινε παραγωγή αεροπηκτής άνθρακα με πυρόλυση σε αδρανή ατμόσφαιρα αζώτου αεροπηκτής χιτίνης. ...............................................................................................................