Νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές
Η ιστοτεχνολογία και η έρευνα και παραγωγή τεχνητών βιοσυμβατών υλικών και οργάνων είναι ένα ταχύτατα αναπτυσσόμενο αντικείμενο με ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον και πληθώρα εφαρμογών. Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι, εκτός από μια πρώτη παρουσίαση των μεθόδων που χρησιμοποι...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2020
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/13872 |
| id |
nemertes-10889-13872 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Ιστομηχανική Ηλεκτροϊνοποίηση Σύνθετα υλικά Βιοαντιδραστήρες Βιοσυμβατότητα Πολυκαπρολακτόνη Νανοσωλήνες άνθρακα Tissue engineering Electrospinning Composite materials Bioreactors Biocompatibility |
| spellingShingle |
Ιστομηχανική Ηλεκτροϊνοποίηση Σύνθετα υλικά Βιοαντιδραστήρες Βιοσυμβατότητα Πολυκαπρολακτόνη Νανοσωλήνες άνθρακα Tissue engineering Electrospinning Composite materials Bioreactors Biocompatibility Χαρισιάδης, Δημήτριος Νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές |
| description |
Η ιστοτεχνολογία και η έρευνα και παραγωγή τεχνητών βιοσυμβατών υλικών και οργάνων είναι ένα ταχύτατα αναπτυσσόμενο αντικείμενο με ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον και πληθώρα εφαρμογών.
Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι, εκτός από μια πρώτη παρουσίαση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τέτοιων υλικών και μια εισαγωγή στις βασικές αρχές της ιστομηχανικής και των βιοαντιδραστήρων, η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων και της βιοσυμβατότητας ενός νανοσύνθετου υλικού, το οποίο παρήχθη με την μέθοδο της ηλεκτροϊνοποίησης (electrospinning). Το σύνθετο υλικό που εξετάζεται είναι η πολυκαπρολακτόνη (PCL) με ενίσχυση από νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs).
Η PCL λειτούργησε ως μήτρα και είναι ένα βιοσυμβατό πολυμερές με αργό ρυθμό βιοαποδόμησης, το οποίο την κάνει ιδανική για συγκεκριμένες ιατρικές εφαρμογές όπως επιδιόρθωση οστών, αλλά δεν εμφανίζει από μόνη της καλές μηχανικές ιδιότητες. Οι νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNT) εμφανίζουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και ως έγκλεισμα, βελτιώνουν τις ιδιότητες της μήτρας, δημιουργώντας ένα σύνθετο υλικό με ικανοποιητικές μηχανικές ιδιότητες.
Ως προς την κατασκευή του ικριώματος, δημιουργήθηκε διάλυμα περιεκτικοτήτων 0.5% w/v MWCNT (κόκκοι), 20% w/v PCL με διαλυτικό μέσο Acetic Acid 99%, το οποίο, αφού εκτέθηκε επαρκώς σε θερμοκρασία και υπερήχους, χρησιμοποιήθηκε για την διαδικασία του electrospinning. Από εκεί, με την χρήση ειδικού υποδοχέα (μεταλλική σίτα), το υλικό πλέον είχε πάρει την μορφή φιλμ, το οποίο με την απαραίτητη κατεργασία, έλαβε το κατάλληλο σχήμα για την συνέχιση του πειράματος. Το δοκίμιο που χρησιμοποιήθηκε για όλα τα πειράματα αποτελείται από 10 τέτοια φιλμ - στρώσεις που έχουν κολληθεί μεταξύ τους. Το διάλυμα από το οποίο παρήχθησαν χρησιμοποιήθηκε και για την συγκόλληση τους, για να επιτευχθεί ομοιόμορφη σύσταση και να μην επηρεάσει τα αποτελέσματα. Όλα τα παρακάτω πειράματα πραγματοποιήθηκαν βάσει των προτύπων ASTM F2150 και ASTM D882.
Νανοσύνθετα Ικριώματα για Ορθοπεδικές Εφαρμογές
Χαρισιάδης Δημήτριος
Στα πειράματα εφελκυσμού, τα δοκίμια καταπονήθηκαν με ρυθμό παραμόρφωσης 5mm/min. Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος έδειξαν ότι, υπό τις αναγραφόμενες συνθήκες λειτουργίας, δημιουργείται ένα πορώδες και ομοιόμορφο δομικά υλικό με μέτρο ελαστικότητας που συνάδει με αυτό άλλων σχετικών ερευνών. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η ενίσχυση με CNTs τριπλασίασε το μέτρο ελαστικότητας και διπλασίασε το όριο διαρροής του ικριώματος, σε σχέση με το αντίστοιχο ικρίωμα χωρίς την ενίσχυση.
Στη συνέχεια, με μια διαμόρφωση στις διαστάσεις, τα ικριώματα που κατασκευάστηκαν εξετάστηκαν ως προς την βιοσυμβατότητα τους. Αυτό πραγματοποιήθηκε με την χρήση ενός πρωτότυπου βιοαντιδραστήρα που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο, ο οποίος προσέγγιζε ικανοποιητικά τις συνθήκες που ευνοούν την επιβίωση και πολλαπλασιασμό των κυττάρων. Τα ικριώματα πρώτα εξετάστηκαν ως προς την ικανότητα τους να επιτρέπουν τον πολλαπλασιασμό εμφυτευμένων σε αυτά κυττάρων, πείραμα το οποίο στέφθηκε με επιτυχία καθώς όχι μόνο ευνόησε την ανάπτυξη αυτών πάνω στο δοκίμιο, αλλά επέφερε καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με την στατική καλλιέργεια. Έπειτα, εξετάστηκε η προσκόλληση κυττάρων πάνω στο ικρίωμα, όταν αυτά μεταφέρονται μέσω ροής πάνω του. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν συνθήκες (παροχή όγκου, αριθμός εισαχθέντων κυττάρων, διάρκεια πειράματος) που μπορεί να επηρεάσουν το ποσοστό προσκόλλησης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αυτούς τους ελέγχους συγκρίθηκαν μεταξύ τους για να φανεί η επίδραση της κάθε παραμέτρου. Παρατηρήθηκε ότι σε γενικές γραμμές, η αύξηση της παροχής όγκου, η αύξηση της χρονικής διάρκειας και ο μεγαλύτερος αριθμός εισαχθέντων κυττάρων ευνοήσαν την προσκόλληση των κυττάρων στο ικρίωμα. |
| author2 |
Charisiadis, Dimitrios |
| author_facet |
Charisiadis, Dimitrios Χαρισιάδης, Δημήτριος |
| author |
Χαρισιάδης, Δημήτριος |
| author_sort |
Χαρισιάδης, Δημήτριος |
| title |
Νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές |
| title_short |
Νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές |
| title_full |
Νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές |
| title_fullStr |
Νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές |
| title_full_unstemmed |
Νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές |
| title_sort |
νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές |
| publishDate |
2020 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/13872 |
| work_keys_str_mv |
AT charisiadēsdēmētrios nanosynthetaikriōmatagiaorthopedikesepharmoges AT charisiadēsdēmētrios nanocompositescaffoldsfororthopedicapplications |
| _version_ |
1771297273501712384 |
| spelling |
nemertes-10889-138722022-09-05T20:33:08Z Νανοσύνθετα ικριώματα για ορθοπεδικές εφαρμογές Nanocomposite scaffolds for orthopedic applications Χαρισιάδης, Δημήτριος Charisiadis, Dimitrios Ιστομηχανική Ηλεκτροϊνοποίηση Σύνθετα υλικά Βιοαντιδραστήρες Βιοσυμβατότητα Πολυκαπρολακτόνη Νανοσωλήνες άνθρακα Tissue engineering Electrospinning Composite materials Bioreactors Biocompatibility Η ιστοτεχνολογία και η έρευνα και παραγωγή τεχνητών βιοσυμβατών υλικών και οργάνων είναι ένα ταχύτατα αναπτυσσόμενο αντικείμενο με ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον και πληθώρα εφαρμογών. Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι, εκτός από μια πρώτη παρουσίαση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τέτοιων υλικών και μια εισαγωγή στις βασικές αρχές της ιστομηχανικής και των βιοαντιδραστήρων, η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων και της βιοσυμβατότητας ενός νανοσύνθετου υλικού, το οποίο παρήχθη με την μέθοδο της ηλεκτροϊνοποίησης (electrospinning). Το σύνθετο υλικό που εξετάζεται είναι η πολυκαπρολακτόνη (PCL) με ενίσχυση από νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs). Η PCL λειτούργησε ως μήτρα και είναι ένα βιοσυμβατό πολυμερές με αργό ρυθμό βιοαποδόμησης, το οποίο την κάνει ιδανική για συγκεκριμένες ιατρικές εφαρμογές όπως επιδιόρθωση οστών, αλλά δεν εμφανίζει από μόνη της καλές μηχανικές ιδιότητες. Οι νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNT) εμφανίζουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και ως έγκλεισμα, βελτιώνουν τις ιδιότητες της μήτρας, δημιουργώντας ένα σύνθετο υλικό με ικανοποιητικές μηχανικές ιδιότητες. Ως προς την κατασκευή του ικριώματος, δημιουργήθηκε διάλυμα περιεκτικοτήτων 0.5% w/v MWCNT (κόκκοι), 20% w/v PCL με διαλυτικό μέσο Acetic Acid 99%, το οποίο, αφού εκτέθηκε επαρκώς σε θερμοκρασία και υπερήχους, χρησιμοποιήθηκε για την διαδικασία του electrospinning. Από εκεί, με την χρήση ειδικού υποδοχέα (μεταλλική σίτα), το υλικό πλέον είχε πάρει την μορφή φιλμ, το οποίο με την απαραίτητη κατεργασία, έλαβε το κατάλληλο σχήμα για την συνέχιση του πειράματος. Το δοκίμιο που χρησιμοποιήθηκε για όλα τα πειράματα αποτελείται από 10 τέτοια φιλμ - στρώσεις που έχουν κολληθεί μεταξύ τους. Το διάλυμα από το οποίο παρήχθησαν χρησιμοποιήθηκε και για την συγκόλληση τους, για να επιτευχθεί ομοιόμορφη σύσταση και να μην επηρεάσει τα αποτελέσματα. Όλα τα παρακάτω πειράματα πραγματοποιήθηκαν βάσει των προτύπων ASTM F2150 και ASTM D882. Νανοσύνθετα Ικριώματα για Ορθοπεδικές Εφαρμογές Χαρισιάδης Δημήτριος Στα πειράματα εφελκυσμού, τα δοκίμια καταπονήθηκαν με ρυθμό παραμόρφωσης 5mm/min. Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος έδειξαν ότι, υπό τις αναγραφόμενες συνθήκες λειτουργίας, δημιουργείται ένα πορώδες και ομοιόμορφο δομικά υλικό με μέτρο ελαστικότητας που συνάδει με αυτό άλλων σχετικών ερευνών. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η ενίσχυση με CNTs τριπλασίασε το μέτρο ελαστικότητας και διπλασίασε το όριο διαρροής του ικριώματος, σε σχέση με το αντίστοιχο ικρίωμα χωρίς την ενίσχυση. Στη συνέχεια, με μια διαμόρφωση στις διαστάσεις, τα ικριώματα που κατασκευάστηκαν εξετάστηκαν ως προς την βιοσυμβατότητα τους. Αυτό πραγματοποιήθηκε με την χρήση ενός πρωτότυπου βιοαντιδραστήρα που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο, ο οποίος προσέγγιζε ικανοποιητικά τις συνθήκες που ευνοούν την επιβίωση και πολλαπλασιασμό των κυττάρων. Τα ικριώματα πρώτα εξετάστηκαν ως προς την ικανότητα τους να επιτρέπουν τον πολλαπλασιασμό εμφυτευμένων σε αυτά κυττάρων, πείραμα το οποίο στέφθηκε με επιτυχία καθώς όχι μόνο ευνόησε την ανάπτυξη αυτών πάνω στο δοκίμιο, αλλά επέφερε καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με την στατική καλλιέργεια. Έπειτα, εξετάστηκε η προσκόλληση κυττάρων πάνω στο ικρίωμα, όταν αυτά μεταφέρονται μέσω ροής πάνω του. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν συνθήκες (παροχή όγκου, αριθμός εισαχθέντων κυττάρων, διάρκεια πειράματος) που μπορεί να επηρεάσουν το ποσοστό προσκόλλησης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αυτούς τους ελέγχους συγκρίθηκαν μεταξύ τους για να φανεί η επίδραση της κάθε παραμέτρου. Παρατηρήθηκε ότι σε γενικές γραμμές, η αύξηση της παροχής όγκου, η αύξηση της χρονικής διάρκειας και ο μεγαλύτερος αριθμός εισαχθέντων κυττάρων ευνοήσαν την προσκόλληση των κυττάρων στο ικρίωμα. Tissue engineering as well as research and production of man-made biocompatible materials and organs, is a rapidly developing subject with an abundance of applications. This thesis aims not only to present some methods utilized to create these composite materials and to explain the basic principles of tissue engineering and bioreactors, but also to study one such material, its mechanical properties and biocompatibility. The material in question is poly-caprolactone (PCL) reinforced with carbon nanotubes (CNTs), created using the electrospinning method. PCL is a biocompatible polymer with a slow rate of biodegradation, making it ideal for specific medical applications such as bone reconstruction. It was used as the matrix of this composite. PCL by itself, however, does not have adequate mechanical properties. To correct that, CNTs, known for their superior mechanical properties, were implemented. As a result, a composite consisting of the two aforementioned materials was created. As far as the construction of the scaffold is concerned, a solution which contained MWCNTs at 0.5% w/v and 20% PCL w/v diluted in Acetic Acid 99%, was created. This solution was exposed to heat and ultrasound, in order to guarantee a more efficient dilution. It was then electrospun using a custom-made collector from a metallic anti-mosquito screen. This screen has small perforations, a design desired for the layers, as a more precise simulation could be achieved. The layers, resulted from the electrospinning process, were then stowed in groups of 10 and were glued together using the same solution that was used to create them, in order to ensure consistency. All the following experiments were conducted based on the standards set by ASTM F2150 and ASTM D882. The 10-layer scaffold was initially tested to determine its mechanical, and more specifically its tensile properties. For this test, a strain rate of 5mm/min was used on the scaffold. Results of this experiment show that under the specified (and simulated) work conditions, a structurally consistent material with a satisfactory hole width and elasticity modulus is created, coinciding with results from similar papers and experiments. In addition, the CNT reinforced scaffolds showed 3 times the modulus of elasticity and 2 times the ultimate stress point of their non CNT reinforced counterparts. After some modifications on the scaffolds’ size, they were then tested to determine their biocompatibility. For this experimental procedure, a prototype bioreactor, that simulated adequately the conditions under which cell proliferation and differentiation take place, was used. At first, the scaffolds were tested to determine their ability to ensure the proliferation of cells that were preseeded on them. This experiment was deemed very successful, as it not only achieved its goal, but it also showed that cell proliferation (and potentially differentiation) was significantly boosted, compared to cell growth in static culture under the same conditions. Afterwards, the attachment of cells, transported through linear flow, on the scaffold was tested, as well as some parameters (inlet velocity, experiment duration, initial cell number) that could potentially affect the attachment percentage. The results that came out of this test were then compared to each other, in order to determine each parameters’ effect. Results from these experiments have shown that an increase in flow rate, experiment duration as well as an increased initial amount of cells led to a boost in cell attachment on the scaffold. 2020-10-02T09:46:17Z 2020-10-02T09:46:17Z 2020-10-13 http://hdl.handle.net/10889/13872 gr application/pdf |
