In vivo εκτίμηση νανοτοξικότητας νανοϋλικών για ορθοπαιδικά εμφυτεύματα
Creators: name: Μούμκας, Ανέστης Κίμωνα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: νανοτοξικότητα
νανοϋλικά
ορθοπαιδικά εμφυτεύματα
nanotoxicity
nanomaterials
orthopedic implants

description: Οι βιοϊατρικές εφαρμογές της νανοτεχνολογίας διευρύνουν τα όρια της Περίθαλψης Υγείας. Παρ’ όλα αυτά οι νέες τεχνολογίας θα πρέπει να πληρούν αυστηρά κριτήρια που θα καθιστούν την εφαρμογή τους ασφαλή. Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο έλεγχος της πιθανής τοξικότητας βιοδιασπώμενων νανοϋλικών που επικαλύπτουν ορθοπεδικά εμφυτεύματα και η διερεύνηση των παραγόντων που μπορούν να μετατρέψουν ακίνδυνα υλικά σε τοξικά για τον άνθρωπο με μόνη αλλαγή τη μία τους τουλάχιστον διάσταση. Η σημαντικότερη αιτία γι’αυτό είναι ότι στη νανοκλίμακα ισχύουν οι νόμοι της Κβαντομηχανικής και όχι της κλασσικής Φυσικής. Ετσι ότι θεωρείται δεδομένο πρέπει να τεθεί ξανά υπό διερεύνηση και τα αυξημένης δραστικότητας νανοϋλικά πρέπει να ελεγχθούν για την ασφάλειά τους στον άνθρωπο αλλά και στα περιβαλλοντικά οικοσυστήματα.Αρχικά παρατίθενται κάποια ιστορικά στοιχεία για τη Νανοτεχνολογία και τις εφαρμογές της και γίνεται αναφορά στη Νανοϊατρική, την Αναγεννητική ιατρική και τους στόχους τους. Ακολούθως εξηγούνται βασικές αρχές ιστολογίας και φυσιολογίας και παρουσιάζονται οι μηχανισμοί κυτταρικής βλάβης και τοξικότητας. Στη συνέχεια αναλύονται οι μηχανισμοί με τους οποίους τα νανοϋλικά μπορούν να εισέλθουν στον οργανισμό και στα κύτταρα και εξηγούνται οι παράγοντες που συνήθως προσδιορίζονται για τον χαρακτηρισμό τους και οι οποίοι ευθύνονται κυρίως για την εμφάνιση τοξικών συνεπειών. Υπενθυμίζονται στοιχεία ιστολογίας και αναλύονται η δομή και οι βλάβες του ιστού στόχου δηλαδή του αρθρικού χόνδρου.Ακολούθως δίνονται βιβλιογραφικά στοιχεία για σχετικές μελέτες σε πειραματόζωα και ιδίως σε αιγοπρόβατα και παρουσιάζεται το πειραματικό πρωτόκολλο.Στο ειδικό μέρος αναλύεται το πως σχεδιάστηκε η πρόθεση, τα στάδια ανάπτυξης και χαρακτηρισμού των βιοαποικοδομήσιμων πολυμερικών ικριωμάτων και πώς έγινε ο μορφολογικός χαρακτηρισμός τους. Εξηγείται η τεχνική του protein engineering για τη σύνθεση των βιοενεργών μορίων και και την καθήλωσή τους στις επιφάνειες των σύνθετων ικριωμάτων για τη μετατροπή τους σε βιολειτουργικά ικριώματα με απώτερο στόχο την προσέλκυση των χονδροκυττάρων και τη διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων για την επιθυμητή αναγέννηση του χόνδρου στην συγκεκριμένη περιοχή της άρθρωσης. Εγινε μελέτη των βιολογικών και φυσικών ιδιοτήτων των σύνθετων ικριωμάτων και επεξεργάστηκε λιπώδης ιστός που λήφθηκε από τα πειραματόζωα για την απομόνωση και τον πολλαπλασιασμό βλαστικών κυττάρων. Αξιολογήθηκε η χονδρογενής διαφοροποίηση των βλαστοκυττάρων στα σύνθετα ικριώματα τα οποία και τοποθετήθηκαν στην κεφαλή των βιοτροποποιημένων εμφυτευμάτων ώστε να δημιουργηθούν τα Ολοκληρωμένα Εμφυτεύματα.Στη συνέχεια περιγράφεται η διαδικασία της χειρουργικής τοποθέτησης των Ολοκληρωμένων Εμφυτευμάτων στην άρθρωση των πειραματοζώων καθώς επίσης και όλη η μετεγχειρητική τους πορεία μέχρι την ημέρα που διενεργήθηκαν η ευθανασία και νεκροψία.Μετά τη διάνοιξη των χειρουργημένων αρθρώσεων διαπιστώθηκε ορατή ανάπτυξη ιστού πάνω στην κεφαλή του Ολοκληρωμένου Εμφυτεύματος ο οποίος στην συνεπακόλουθη ιστολογική εξέταση εμφάνισε τα χαρακτηριστικά υαλοειδούς χόνδρου του βασικού δηλαδή στοιχείου του αρθρικού χόνδρου.Σε όλη αυτή τη διάρκεια αυτού του ερευνητικού έργου ποτέ δε διαπιστώθηκε κάποιο σημείο ιστικής ή κυτταρικής τοξικότητας κάτι που υποδηλώνει την ασφάλεια των σχετικών διεργασιών.Τέλος γίνεται συζήτηση των ερευνητικών αποτελεσμάτων και παρατίθενται προτάσεις για μελλοντική έρευνα.
description: Nanotechnology is the first major worldwide research initiative of the 21st century. Nanotechnologies are general purpose technologies that act as both the basis for technology solutions across a range of industrial problems or as a nexus for the convergence of other enabling technologies like biotechnologies, computational sciences, physical sciences, communication technologies, cognitive sciences, social psychology and other social sciences. However, there is currently great concern that engineered nanoparticles may exert unexpected toxicities and pose a threat to human health and the environment. On the other hand, nanoparticles may be exploited for targeted drug delivery and could reduce the adverse bystander effects of conventional drugs, including chemotherapeutic drugs. This thesis’ goal is to determine factors that have crucial role in the appearance of toxicity effects in living organisms due to the use of nanomaterials. In the first part it is mostly provided a great piece of information that concern the categorization of nanomaterials as well as the possible ways of nanomaterials‘ entrance in human organism and the understanding of all the physicochemical parameters that toxic effects depend on. We discuss matters of histopathology and we analyse the structure and defects of the articulate cartilage . Then we search bibliography data about animal testing and especially in sheep and goats and we design the research scheme. Ιn the second part we present the design of the prosthesis, the development and the characterisation of the biodegradable polymeric scaffold, the technique of protein engineering for the synthesis of the bioactive molecules and their fixation on the surface of the implants so as to achieve the mesenchymal cells’ differentiation to chondrocytes and their attachment in that specific area of the arthrosis. We manage to isolate mesenchymal cells from adipose tissue of the animals and to proliferate them and place them on the head of the biofunctionalized implants. The last part describes the surgical implantation of the so called Complete Implants in the inner medial condyle of the goats and their postsurgical treatment and survival through the time till they were euthanized and an autopsy was performed. When their knee joint was dissected there was a newly created tissue on the head of the implants which in the histologic sections that were performed proved to be hyaline cartilage, that is articulate cartilage. At no point during that research there was any sign of toxicity of any kind which points out the safety of these procedures. Concluding there is a discussion of the results and suggestions for future research.