Νανοπορώδη Υμένια ως Επικάλυψη σε Καρδιοαγγειακά Εμφυτεύματα με την Τεχνική του Spraying: Ανάπτυξη και Χαρακτηρισμός.
Creators: name: Ντέμκα, Αλεξάνδρα Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Νανοπορώδη υμένια
Καρδιαγγειακά εμφυτεύματα
Τεχνική Spraying
Nanoporous films
Cardiovascular implants
Spray Coating

description: Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάπτυξη νανοπορωδών λεπτών υμενίων από βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή με τη μέθοδο του ψεκασμού (Spray Coating Deposition) στα πλαίσια του πεδίου της Στoχευμένης Θεραπείας (Τargeted Delivery) και συγκεκριμένα για εφαρμογές σε καρδιαγγειακά εμφυτεύματα. Απώτερος σκοπός ήταν η δημιουργία ενός βιομιμητικού νανοπορώδους υλικού που να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πλατφόρμα μεταφοράς φαρμάκων για την επικάλυψη καρδιαγγειακών εμφυτευμάτων. Είναι πλέον γνωστό ότι τα βιοδιασπώμενα πολυμερή χρησιμοποιούνται ευρέως στα συστήματα ελεγχόμενης παροχής και στοχευμένης μεταφοράς φαρμάκων. Τις τελευταίες δεκαετίες, η πρώτη επιλογή στη συντριπτική πλειονότητα των ασθενών τόσο σε σταθερή στεφανιαία νόσο όσο και στα οξέα στεφανιαία σύνδρομα είναι η εμφύτευση ενδοπροθέσεων που αποδεσμεύουν φάρμακα (Drug Eluting Stents, DES). Μετα-αναλύσεις έχουν δείξει καλύτερη μακροπρόθεσμη κλινική έκβαση των DES σε σύγκριση με τις μη επικαλυμμένες ενδοπροθέσεις (Bare Metal Stents, BMS). Καινοτομία της μελέτης αυτής αποτελεί η δημιουργία πολυμερικών υμενίων με τη τεχνική του spray coating deposition και η δημιουργία νανοπόρων, το μέγεθος και το πλήθος των οποίων ελέγχεται από τις πειραματικές συνθήκες. Τα δομικά χαρακτηριστικά των λεπτών υμενίων επηρεάζουν την κυτταρική συμπεριφορά και πρέπει να πληρούν συγκεκριμένες κατασκευαστικές προϋποθέσεις για να αναστείλουν την κυτταρική προσκόλληση, τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση παραγόντων του αίματος που ενεργοποιούνται στην τοποθέτηση ξένου σώματος στα αγγεία, όπως μία μεταλλική ενδοπρόθεση. Η μέθοδος εναπόθεσης με ψεκασμό (Spraying Deposition) αποτελεί μία κοινή μέθοδος για την κατασκευή επικαλύψεων σε βιομηχανική κλίμακα. Πολυμερικά λεπτά υμένια με διαφορετικές αναλογίες και σε διαφορετικές συνθήκες ανάπτυξης μελετήθηκαν προκειμένου να συγκριθούν ως προς την κυτταρική προσκόλληση και πολλαπλασιασμό. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν η Πολύ-καπρολακτόνη (Poly-caprolactone, PCL) και το Πολύ-(γαλακτικό-συν-γλυκολικό οξύ (Poly lactide-co-glycolyte acid, PLGA) στις αναλογίες (65:35, 75:25) και από χημικές ουσίες με αντιαιμοπεταλιακή δράση, τη Διπυριδαμόλη (Dipyridamole, DPM) και την Κουρκουμίνη (Curcumin, CCM). Στο πρώτο στάδιο, για την παρασκευή των λεπτών υμενίων δοκιμάστηκαν πολυμερικά διαλύματα σε διάφορες συγκεντρώσεις (20:80, 25:75, 30:70), ώστε να βρεθεί η βέλτιστη για κάθε πολυμερές. Στο δεύτερο στάδιο έγινε ανάπτυξη διστρωματικών πολυμερικών υμενίων της βέλτιστης αναλογίας πολυμερών {PCL, PLGA (65:35), PLGA(75:25)} με διαφορετικές συνθήκες ψεκασμού. Η βελτιστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης λεπτών υμενίων, αποδείχτηκε πως αφορά κυρίως τη συγκέντρωση του πολυμερούς, την απόσταση οπής αερογράφου-επιφάνειας και την εφαρμοζόμενη πίεση εναπόθεσης υλικού στην επιφάνεια. Διαπιστώθηκε πως τόσο η απόσταση όσο και η πίεση ψεκασμού του υλικού επηρεάζει το μέγεθος και το πλήθος των νανοπόρων που σχηματίζονται. Ακολούθησε μελέτη αποδέσμευσης των φαρμάκων από τα πολυμερικά υμένια σε PBS στους 37oC για 60 ημέρες, που απέδειξε το προφίλ αποδέσμευσης των φαρμάκων από τα πολυμερικά υμένια με τη βέλτιστη αναλογία πολυμερών και ανάπτυξη τους στις βέλτιστες συνθήκες ψεκασμού. Και στις δύο περιπτώσεις υπάρχει αρχικά το burst release, το οποίο όμως παρουσιάζει διαφορετικό ποσοστό αποδέσμευσης φαρμάκου που αποδεσμεύεται, ενώ η δεύτερη φάση χαρακτηρίζεται από ένα στάδιο πιο χαμηλής αποδέσμευσης που μπορούμε να το ορίσουμε ως “lag phase”. Τα λεπτά υμένια μελετήθηκαν, επίσης, ως προς την βιολογική απόκριση τους σε κυτταρικές σειρές. Ειδικότερα, τα βλαστικά κύτταρα οδοντικής σειράς (stem cells) καλλιεργήθηκαν στην επιφάνεια των λεπτών υμενίων για τρία χρονικά διαστήματα (24hrs, 4 μέρες, 6 μέρες), κι έγινε ποσοτική εκτίμηση των κυττάρων που αναπτύχθηκαν με την εφαρμογή του ΜΤΤ πρωτόκολλου. Για την ολοκλήρωση της κυτταρικής μελέτης ελήφθησαν εικόνες με την Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) και με το οπτικό μικροσκόπιο. Τόσο από τη μελέτη ΜΤΤ όσο και από τις εικόνες SEM διαπιστώνουμε διαφορετικά συμπεράσματα για την συμπεριφορά των υμενίων σε σχέση με την ανάπτυξη των κυτταρικών πληθυσμών.
description: The present diploma thesis deals with the development of biodegradable polymer nanoporous thin films with Spraying Coating Deposition Method within the framework of Targeted drug delivery and especially for applications at cardiovascular implants. The ultimate goal was to create a biomimetic nanoporous environment that can be used as drug delivery platforms for coating cardiovascular implants. The structural features of thin films affect cell response and must be engineered to support cell adhesion, proliferation and differentiation of blood components, which activate after the insertion of implants in the vessels, like cardiovascular stents. Thin films act like a temporary platform coating interior to vascular implant and deliver chemical compounds that inhibit platelet adhesion and thrombus formation. It is already known that the biodegradable polymers are used widely into targeted drug delivery systems. In drug delivery implants is observed controlled drug release patterns during polymer degradation while drug levels maintain stable. The last decade, the first treatment choice of acute coronary diseases is the implantation of implants that release anti-proliferative drugs, known as Drug Eluting Stents (DES). Metanalysis showed that DES have better results in comparison with bare metal implants, the first used stents, known as Bare Metal Stents (BMS). That is the main reason that research in cardiology focuses on optimization of construction techniques of cardiovascular implants. Spraying coating deposition method is the most common method for the fabrication of coatings at industrial scale. Its considerable attention in the field of Drug delivery systems relies on the production of polymer thin films with nanopores in the range of nanometers to micrometers, with the use of a gas pressure to deposit a polymer solution from an orifice to flat substrates. Specifically, Poly-caprolactone (PCL) and Poly lactide-co-glycolyte acid (PLGA), as synthetic biodegradable polymers, and drugs, Dipyridamole (DPM) and Curcumin (CCM), as anti-platelet chemical compounds, were chosen for this study. Also, PCL/PLGA copolymers in different ratios (80:20, 75:25, 70:30) were prepared and tested in order to find the optimal solution for the fabrication of each polymer thin film. The optimization of growth conditions for thin films, is proven to be particularly related to the polymer concentration, the airbrush distance and the applied pressure/flow rate. The structural/morphological/topographic characterization of thin films was conducted with Scanning Electron Microscope (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). Drug release kinetics were studied in vitro after the platform incubation in PBS at 37oC over 60days, which reveal the release profile of drugs from the optimal ratio and optimal fabrication conditions polymeric thin films. Both of the release patterns are described from a ‘burst release phase’ with the first 24 hours followed by a lower rate release phase, known as ‘lag phase’. The scaffolds and thin films were also studied for their biocompatibility with cell lines. Particularly, stem cells of dental series were seeded on the surface of thin films for three intervals (24hrs, 3 days, 6 days). MTT assay was performed for the quantitative assessment of the cell-seeded thin films. To complete the cell studies, images were obtained by Scanning Electron Microscopy (SEM) and optical microscopy after staining with methylene blue. In the group of thin films, biocompatibility studies have controversial conclusions.