Study of antimicrobial properties and biological behavior of cerium oxide nanoparticles
Creators: name: Χατζημέντωρ, Ιάσων Δημήτριου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: subject: Νανοσωματίδια
subject: Οξείδιο του Δημητρίου
subject: Νανοτεχνολογία
subject: Nanoparticles
subject: Cerium oxide
subject: Nanotechnology
subject: FOS: Nanotechnology

description: Nanotechnology is a field that is occupied with the study of materials at nanoscale level. This science blends biology, physics, and chemistry in purpose of creating materials with tiny size. Nanomaterials are characterized by their size ranging between 1-100nm as well as their superior properties compared to their bulk counterparts. Nanomaterials are useful in a range of applications because of their enhanced characteristics, grater surface area and higher surface-to-volume ratio. Their design offers excellent potential for their use in multiple biomedical fields including tissue engineering and regeneration, drug delivery, cell therapies and tissue repair. Nanoparticles comprise one of the major kinds of nanomaterials. They are three dimensional nanosized materials which can be classified according to their composition as inorganic, carbon- based, lipid- based, polymeric (organic)- based or biomimetic nanoparticles. Different types of nanoparticles are increasingly used as drug delivery systems and diagnostic tools in medicine as well as in dentistry as components of dental and periodontal regenerative materials. An element of the periodic table that has gained much attention theoretically and practically in industrial and biomedical terrain is Cerium (Ce). It is a rare earth metal that belongs to the lanthanide group with atomic number A=58. It exists in 2 redox states Ce3+ and Ce4+ and has already been used in a variety of industrial, catalytic, and agricultural applications. Cerium oxide (CeO2) due to the autoregenerative cycle between two redox states 3+ and 4+, and the creation of oxygen vacancies on their surface, contain excellent ROS scavenging properties and mimic the action of enzymes to defend against free radicals. Moreover, its biological characteristics include antioxidant, anti-inflammatory, antibacterial, angiogenic, and anti-apoptotic activities that aid in tissue repair and regeneration. The present thesis describes biological properties and antimicrobial behaviour of CeO2 NPs through in vitro experimental procedures. In chapter 1, the theoretical background of nanotechnology, with a brief analysis of nanomaterials and the basic knowledge around CeO2 that was used in the study is presented. Chapter 2 considers the experimental techniques that were followed in the research, the synthesis process of NPs and the cell cultures preparation. The analytic explanation of MTT assay, ALP levels measurement test and ARS procedure comprise part of this chapter. The method of ROS scavenging investigation and antibacterial analysis against P. gingivalis and P. intermedia are also mentioned. In chapter 3, the results of every experimental procedure are analyzed. Cell viability assay indicated the tendency of NPs- doped hPDLCs to increase their proliferation rate in a time dependent manner. ALP and ARS measurements showed that the presence of nanoceria can increase the evaluated markers of osteogenic differentiation process. In addition, the MTT assay and ROS determination, demonstrated some interesting results concerning the viability of cells under oxidative stress conditions and respectively, the capability of NPs to decrease free radical levels in the course of time. Antimicrobial assay also marked the effectiveness of NPs to induce toxicity, mainly against P. gingivalis. Finally, chapter 4 and 5 summarize the research by presenting the results in comparison with different studies based on CeO2 and the conclusion with the future perspectives that could be applied after this study.
description: Η νανοτεχνολογία μελετάει τα υλικά σε επίπεδο νανοκλίμακας. Είναι μία επιστήμη που συνδυάζει τη βιολογία, τη φυσική και τη χημεία προκειμένου να δημιουργήσει υλικά με μικροσκοπικό μέγεθος. Τα νανοϋλικά χαρακτηρίζονται για το μέγεθός τους, το οποίο κυμαίνεται μεταξύ 1-100nm, καθώς επίσης και για τις βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με τα ομόλογά υλικά μεγάλου μεγέθους. Λόγω των ενισχυμένων χαρακτηριστικών τους, της μεγαλύτερης επιφάνειας και του αυξημένου λόγου επιφάνειας προς όγκο, τα νανοϋλικά έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Η σχεδίασή τους προσφέρει εξαιρετικές δυνατότητες για τη χρήση τους σε πολλά βιοϊατρικά πεδία, όπως η μηχανική των ιστών και αναγέννηση, η μεταφορά φαρμάκων, οι κυτταρικές θεραπείες και η επιδιόρθωση των ιστών. Τα νανοσωματίδια αποτελούν κύριο είδος βιοϋλικών. Είναι υλικά νανομεγέθους, τριών διαστάσεων, και σύμφωνα με την σύστασή τους κατατάσσονται σε ανόργανα, βασιζόμενα στον άνθρακα ή τα λιπίδια, πολυμερή (οργανικά) και βιομιμιτικά. Υπάρχουν διάφοροι τύποι νανοσωματιδίων που χρησιμοποιούνται ως διαγνωστικά μέσα στην ιατρική, καθώς επίσης και ως συστατικά αναγεννητικών υλικών στην οδοντιατρική και την περιοδοντολογία. Το Δημήτριο (Ce) είναι ένα στοιχείο του περιοδικού πίνακα που έχει συγκεντρώσει μεγάλο ενδιαφέρον. Είναι μία σπάνια γαία που ανήκει στις λανθανίδες με ατομικό αριθμό 58. Αποτελείται από δύο καταστάσεις σθένους, το Ce3+ και το Ce4+ και χρησιμοποιείτε ήδη στη βιομηχανία ως καταλύτης αλλά και σε αγροτικές εφαρμογές. Τα οξείδια του Δημητρίου, λόγω του αυτό- αναγεννητικού τους κύκλου ανάμεσα στις δύο καταστάσεις σθένους και της δημιουργίας κενών θέσεων οξυγόνου στην επιφάνειά τους, εμφανίζουν ικανότητες εξουδετέρωσης των ενεργών μορφών οξυγόνου και μπορούν να μιμηθούν τα ένζυμα που αμύνονται τις ελεύθερες ρίζες. Επιπροσθέτως, έχουν αντιοξειδωτική, αντιφλεγμονώδη, αντιβακτηριακή, αγγειογενετική και αντιαποπτωτική δράση που βοηθά στην επιδιόρθωση των ιστών και την αναγέννηση. Η παρούσα μελέτη περιγράφει τις βιολογικές συμπεριφορά και τις αντιμικροβιακές ιδιότητες των νανοσωματιδίων οξειδίου του Δημητρίου μέσω in vitro πειραματικών διαδικασιών. Η έρευνα των νανοσωματιδίων έγινε σε συνδυασμό με κύτταρα του περιοδοντικού συνδέσμου. Στο 1ο κεφάλαιο αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο της νανοτεχνολογίας και οι βασικές γνώσεις γύρω από τα οξείδια του Δημητρίου. Στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζονται όλες οι πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν στη μελέτη, με αναλυτική επεξήγηση όλων των τεχνικών. Στο 3ο κεφάλαιο αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Ο έλεγχος ζωτικότητας ΜΤΤ ανέδειξε την ικανότητα των νανοσωματιδίων για διατήρηση των κυττάρων. Τα πειράματα της οστεογενούς διαφοροποίησης έδειξαν την ικανότητα των νανοσωματιδίων για αύξηση των δεικτών της αλκαλικής φωσφατάσης και της αλιζαρίνης. Επιπλέον, ενδιαφέρον προκύπτει και από τα αποτελέσματα του ελέγχου των κυττάρων παρουσία οξειδωτικού στρες, καθώς εμφανίστηκε διατήρηση της ζωτικότητας αλλά και ικανότητα μείωσης των ελευθέρων ριζών, αντίστοιχα. Από τον έλεγχο της αντιμικροβιακής δραστηριότητας παρατηρήθηκε η αποδοτικότητα των νανοσωματιδίων εναντίων κυρίως του περιοπαθογόνου P. Gingivalis. Καταληκτικά, στα κεφάλαια 4 και 5 συνοψίζεται η ερευνητική μελέτη με την παρουσίαση των αποτελεσμάτων σε σύγκριση με παρόμοιες μελέτες καθώς και τα συμπεράσματα με τις μελλοντικές προοπτικές που μπορεί να εφαρμοστούν μετά από τη συγκεκριμένη μελέτη.