Παρασκευή και χαρακτηρισμός τρισδιάστατα εκτυπωμένων ικριωμάτων πολυκαπρολακτόνης με βιοδραστικά μόρια για τη θεραπεία της περιοδοντίτιδας
Creators: name: Καρρά, Αικατερίνη Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: 3D εκτύπωση
Περιοδοντίτιδα
Βιοδραστικά μόρια
3D printing
Periodontitis
Bioactive molecules

description: Η περιοδοντίτιδα είναι μία χρόνια φλεγμονώδης πάθηση, η οποία οδηγεί σε σταδιακή καταστροφή του περιοδοντίου και απώλεια δοντιών. Η θεραπεία της έγκειται πρώτον, στην εξάλειψη ή τη ρύθμιση των παραγόντων που οδηγούν στην εμφάνιση και εξέλιξη της νόσου και δεύτερον, στην αποκατάσταση των βλαβών στους περιοδοντικούς ιστούς. Οι συμβατικές θεραπευτικές προσεγγίσεις δεν έχουν επιτύχει με ακρίβεια αυτόν τον στόχο. Η ανάπτυξη, όμως, νέων τεχνολογιών, όπως η τρισδιάστατη (three dimensional, 3D) εκτύπωση, μπορεί να προσφέρει μία πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα. Η παρούσα μελέτη επικεντρώθηκε στην παρασκευή 3D εκτυπωμένων ικριωμάτων πολυκαπρολακτόνης (polycaprolactone, PCL) με ενσωμάτωση βιοδραστικών μορίων (εκχύλισμα Curcuma longa, ιβουπροφαίνη και μετρονιδαζόλη) μέσω δύο διαφορετικών μεθοδολογιών ενσωμάτωσης για δυνητική χρήση στην περιοδοντική θεραπεία. Στην πρώτη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε, οι δραστικές ουσίες ενσωματώθηκαν στα ικριώματα κατά τη διαδικασία της εκτύπωσης. Για τον σκοπό αυτό παρασκευάστηκαν υμένια του πολυμερούς τα οποία περιείχαν δραστική ουσία σε συγκέντρωση 1 % w/w για να χρησιμοποιηθούν ως μελάνι εκτύπωσης. Στη δεύτερη μεθοδολογία, 3D εκτυπωμένα ικριώματα PCL εμβαπτίστηκαν σε διαλύματα των βιοδραστικών ουσιών για 30 min και έτσι προέκυψαν ικριώματα με θεωρητική περιεκτικότητα σε δραστική ουσία 1-3,2 % w/w. Τα ικριώματα που προέκυψαν είχαν πόρους κυκλικού σχήματος με μέση διάμετρο 0,6-1,1 mm. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ανάλυση των ικριωμάτων με Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (Fourier-transform Infrared Spectroscopy, FT-IR), Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM), Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC) και Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (Thermogravimetric analysis, TGA), με στόχο τη μελέτη της επίδρασης των παραμέτρων της 3D εκτύπωσης στην πρώτη ύλη (PCL σε μορφή pellets και δραστικές ουσίες) και την ανίχνευση τυχόν μεταβολών στις φυσικοχημικές, μορφολογικές και θερμικές ιδιότητες των ικριωμάτων, μετά την ενσωμάτωση των δραστικών ουσιών. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα εγκλεισμού και απελευθέρωσης των δραστικών ουσιών, ώστε να αξιολογηθεί το δυναμικό των συγκεκριμένων ικριωμάτων ως συστήματα μεταφοράς και αποδέσμευσης δραστικών ουσιών σε περιοδοντικούς ασθενείς. Τα ικριώματα με εκτυπωμένα βιοδραστικά μόρια εμφάνισαν πολύ υψηλή αποτελεσματικότητα εγκλεισμού και με εξαίρεση εκείνα που περιείχαν εκχύλισμα Curcuma longa, όλα τα υπόλοιπα απελευθέρωσαν παρατεταμένα μία αρκετά μεγάλη ποσότητα των βιοδραστικών μορίων. Από την άλλη, τα ικριώματα με ενσωματωμένα μέσω εμβάπτισης βιοδραστικά μόρια εμφάνισαν πολύ χαμηλή αποτελεσματικότητα εγκλεισμού, ωστόσο, από τα συγκεκριμένα ικριώματα απελευθερώθηκε παρατεταμένα μία αρκετά μεγάλη ποσότητα των εγκλεισμένων βιοδραστικών μορίων. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία ενσωμάτωσης χρήζει περαιτέρω βελτίωσης (μέσω π.χ. της δημιουργίας ενός διασυνδεδεμένου δικτύου πόρων στα ικριώματα), ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περιπτώσεις που η βιοδραστική ουσία είναι ευαίσθητη στις συνθήκες εκτύπωσης. Από τα παραπάνω προκύπτει το συμπέρασμα ότι τα ικριώματα που παρασκευάστηκαν στην παρούσα μελέτη μπορούν δυνητικά να χρησιμοποιηθούν ως συστήματα χορήγησης δραστικών ουσιών στη διαχείριση της περιοδοντίτιδας, ωστόσο, απαιτούνται περαιτέρω μελέτες, προκειμένου να ελεγχθούν η βιοσυμβατότητα και η αντιβακτηριακή τους δράση.
description: Periodontitis is a chronic inflammatory disease that leads to gradual destruction of the periodontium and tooth loss. Its treatment lies firstly in the elimination or regulation of the factors that lead to the appearance and progression of the disease and secondly in the restoration of the damage of the periodontal tissues. Conventional therapies have not fully achieved this goal. However, the development of new technologies, such as three dimensional (3D) printing, can offer a possible solution to this problem. The present thesis is focused on the preparation of 3D printed polycaprolactone (PCL) scaffolds with bioactive molecules (Curcuma longa extract, ibuprofen and metronidazole), through two different incorporation methodologies for potential use in periodontal therapy. In the first methodology, the bioactive substances were incorporated into the scaffolds during the printing process. To this end, polymer films containing 1% w/w bioactive substances were prepared to be used as the printing ink. In the second methodology, 3D printed PCL scaffolds were immersed in solutions of the bioactive substances for 30 min, thus resulting in scaffolds with a theoretical content of bioactive substances of 1–3.2 % w/w. The resulting scaffolds had circularshaped pores with an average diameter of 0.6-1.1 mm. The scaffolds were then analyzed by means of Fourier-transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Scanning Electron Microscopy (SEM), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermogravimetric Analysis (TGA), with the aim of studying the effect of the 3D printing parameters on the raw materials (PCL pellets and bioactive substances) and detecting any change in the physicochemical, morphological and thermal properties of the scaffolds, after the incorporation of the bioactive substances. Finally, drug entrapment efficiency and drug release studies were carried out, in order to assess the potential of these scaffolds as delivery systems for administration of bioactive substances to patients with periodontal disease. The scaffolds containing printed bioactive molecules showed very high entrapment efficiency and apart from those containing Curcuma longa extract, all the rest sustained released a large amount of the entrapped bioactive molecules. On the other hand, the scaffolds impregnated with bioactive molecules showed very low entrapment efficiency, however, a fairly large amount of the entrapped bioactive molecules was released from these scaffolds in a sustained manner. This particular methodology of incorporation needs further improvement (through, for example, the creation of an interconnected network of pores in the scaffolds), so that it can be used in cases in which the bioactive substance is sensitive to the printing conditions. All things considered, it can be concluded that the scaffolds fabricated in the present study can potentially be used as delivery systems for administration of bioactive substances in the management of periodontitis. However, further studies are required to confirm their biocompatibility and antibacterial activity.