Ανάπτυξη Τρισδιάστατων Ικριωμάτων Πολυκαπρολακτόνης και Χρήση Αυτών ως Συστημάτων Μεταφοράς Φαρμάκων στη Θεραπεία της Περιοδοντίτιδας
Creators: name: Λιάση, Γεωργία Σαράντη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Τρισδιάστατα ικριώματα πολυκαπρολακτόνης
Μεταφορά Φαρμάκων
Οστεοβλάστες
3D polycaprolactone scaffolds
Drug Delivery
Osteoblasts

description: Η ανάπτυξη τρισδιάστατων εκτυπωμένων ικριωμάτων αποτελεί επανάσταση στο τομέα της ιστομηχανικής και της αναγεννητικής ιατρικής. Στo πλαίσιo της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας διερευνήθηκαν η δυνατότητα τρισδιάστατης εκτύπωσης βιοσυμβατών υλικών, τα οποία επάγουν την οστεογένεση, με αντιφλεγμονώδεις και αντιμικροβιακές δραστικές ουσίες, για την χρήση τους ως φορείς φαρμάκων στη περιοδοντίτιδα, αλλά και την χρήση τους ως τρισδιάστατα ικριώματα που συμβάλλουν στην αναγέννηση του φατνιακού οστού μετά από ακραίας μορφής περιοδοντική βλάβη. Σε συνέχεια της εκτύπωσης, πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των παραγόμενων ικριωμάτων, μελετήθηκε ο εγκλεισμός και η αποδέσμευση των δραστικών ουσιών, και τέλος ελέγχθηκε η κυτταρική βιωσιμότητα των ικριωμάτων χρησιμοποιώντας πρώιμους οστεοβλάστες. Ως βασικό υλικό για τα ικριώματα χρησιμοποιήθηκε η πολυκαπρολακτόνη, ένα βιοσυμβατό και βιοαποικοδομήσιμο πολυμερές, σκέτο αλλά και σε συνδυασμό με το β-φωσφορικό τριασβέστιο, ένα βιο-κεραμικό, το οποίο σύμφωνα με την βιβλιογραφία προσομοιάζει την χημική δομή των οστών και προωθεί την ανάπλαση, τον πολλαπλασιασμό και την διαφοροποίηση των κυττάρων. Επιπλέον, τα ικριώματα χρησιμοποιήθηκαν ως μέσον μεταφοράς φαρμάκων, συνδυάζοντάς τα με νατριούχο δικλοφενάκη ή υδροχλωρική τετρακυκλίνη, δυο βασικές φαρμακευτικές ουσίες που εμφανίζουν αντιφλεγμονώδη και αντιβιοτική δράση, αντιστοίχως. Όλες οι συνθέσεις των υλικών έγιναν με τη μέθοδο θερμικής ανάμειξης και παρήχθησαν τα εξής ικριώματα: πολυκαπρολακτόνη (PCL), πολυκαπρολακτόνη/νατριούχος δικλοφενάκη 1% w/w, πολυκαπρολακτόνη/υδροχλωρική τετρακυκλίνη 1% w/w, πολυκαπρολακτόνη/β-φωσφορικό τριασβέστιο 40% w/w, πολυκαπρολακτόνη/β-φωσφορικό τριασβέστιο/νατριούχος δικλοφενάκη 1% w/w και πολυκαπρολακτόνη/β-φωσφορικό τριασβέστιο/υδροχλωρική τετρακυκλίνη 1% w/w. Πραγματοποιήθηκαν έρευνες για να διαπιστωθεί η αποτελεσματικότητα εγκλεισμού των δραστικών ουσιών στα ικριώματα και τα ποσοστά αποδέσμευσής τους. Ο εγκλεισμός των δραστικών ουσιών είναι κατά προσέγγιση ≥ 90% σε όλα τα είδη ικριωμάτων, ενώ τα ποσοστά αποδέσμευσης των δραστικών ουσιών της συγκεκριμένης έρευνας , η οποία διήρκησε 7 ημέρες, κυμαίνονται μεταξύ 95-97% για την νατριούχο δικλοφενάκη και 70%-80% για την υδροχλωρική τετρακυκλίνη. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε βιολογική αξιολόγηση των ικριωμάτων in vitro χρησιμοποιώντας πρώιμους οστεοβλάστες ποντικών (MC3T3-E1). Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η βιολογική δράση των ικριωμάτων, εξετάζοντας τον πολλαπλασιασμό και την ανάπτυξη των κυττάρων. Από τα αποτελέσματα της βιολογικής αξιολόγησης, φάνηκε ότι η συγκέντρωση των δραστικών ουσιών εντός των ικριωμάτων λειτουργεί επιβραδυντικά και ανασταλτικά ως προς την ανάπτυξη και τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων κατά τις πρώτες ημέρες καλλιέργειας, χωρίς όμως να επηρεάζεται η δραστηριότητα των κυττάρων μετά την 7η ημέρα και έως το τέλος της καλλιέργειας, η οποία διήρκησε 21 ημέρες. Αντίθετα, τα ικριώματα από πολυκαπρολακτόνη και πολυκαπρολακτόνη/β-φωσφορικό τριασβέστιο παρουσιάζουν εξαιρετική βιωσιμότητα σε όλη την διάρκεια της καλλιέργειας. Ταυτόχρονα, Ο θερμικός χαρακτηρισμός των ικριωμάτων υλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τις τεχνικές: Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC), Θερμοβαρυτική Ανάλυση (Thermogravimetric Analysis, TGA). Η μορφολογία των ικριωμάτων διερευνήθηκε μέσω της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM), ο χαρακτηρισμός της χημικής δομής των υλικών μέσω συγκεκριμένων λειτουργικών ομάδων μέσω Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας (IR) και η βιολογική επίδραση των ικριωμάτων στα κύτταρα μέσω Συνεστιακής Μικροσκοπίας (confocal microscopy).
description: The development of three-dimensional printed scaffolds represents a revolution in the fields of tissue engineering and regenerative medicine. The scope of the present study was to investigate the possibility of 3D printing bioactive, osteoinductive materials with anti-inflammatory and antimicrobial pharmacological agents, in order these materials to be used as drugs carriers in periodontitis and as 3D scaffolds contributing to alveolar bone regeneration after severe periodontitis damage. Specifically, the physicochemical properties of the produced scaffolds were characterized, the encapsulation and release profile of the pharmacological agents were studied, and their cellular viability was evaluated. Polycaprolactone (PCL), a biocompatible and biodegradable polymer, was used as the basic material for the scaffolds, both alone and in combination with beta-tricalcium phosphate (β-TCP), a bioceramic that mimics the chemical structure of bones and promote cell proliferation and differentiation. Moreover, the scaffolds were used as drug delivery systems, incorporating diclofenac sodium or tetracycline hydrochloride, two pharmacological agents with anti-inflammatory and antibiotic properties, respectively. Thermal synthesis was used for materials’ blends, resulting in the following scaffolds: polycaprolactone (PCL), polycaprolactone/diclofenac sodium 1% w/w, polycaprolactone/tetracycline hydrochloride 1% w/w, polycaprolactone/beta-tricalcium phosphate 40% w/w, polycaprolactone/beta-tricalcium phosphate/diclofenac sodium 1% w/w and polycaprolactone/beta-tricalcium phosphate/tetracycline hydrochloride 1% w/w. Further studies assessed the efficacy of encapsulating the active substances in the scaffolds and their release rates. The encapsulation of the active compounds in the scaffolds was approximately ≥90% for all types of scaffolds, while the release rates of the active ingredients ranged from 95% to 97% for diclofenac and 70% to 80% for tetracycline during the 7 days of release ratio research. Additionally, biological evaluation of the scaffolds was performed in vitro, using mouse pre-osteoblasts (MC3T3-E1). Specifically, the biological activity of the scaffolds was assessed by examining cell proliferation and growth. From the results of the biological evaluation, it was observed that the concentration of the active substances within the scaffolds had a decelerating and inhibitory effect on cell growth and proliferation during the initial days of cultivation, without affecting cell activity after seven days of cultivation and until its completion at 21 days. On the contrary, scaffolds made of polycaprolactone and polycaprolactone/beta-tricalcium phosphate exhibited excellent viability throughout the entire cultivation. The thermal characterization of the scaffolds was performed using techniques such as Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermogravimetric Analysis (TGA). The morphology of the scaffolds was examined using Scanning Electron Microscopy (SEM), material characterization was analyzed through specific functional groups using Infrared Spectroscopy (IR) and the biological effect of the scaffolds on cells was evaluated using confocal microscopy.