Novel bioceramic materials for the synthesis of scaffolds towards dental tissue regeneration

Abstract

Development of novel 3D porous glass-ceramic scaffolds presents the solution of an ongoing need for functional and esthetic restoration of lost or damaged tooth structure. While scaffold fabrication has been investigated and proven successful there is still a lot of space for improvements. In this regard the effort of introducing metallic ions in the structure of the scaffolds could positively provoke their beneficial role towards tissue regeneration. Thus the aim of the present PhD thesis was the fabrication of glass-ceramic scaffolds optimized with metallic elements, to improve their overall effectiveness towards potential dental tissue regeneration. For this reason the three different groups of scaffolds of the system 60SiO2-30CaO-7.5MgO-2.5 ZnO/CuO/SrO2 were developed through the foam replica technique and studied with a number of techniques to determine their apatite forming ability, degradation rates, porosity and mechanical strength. Powder samples were thermally characterized before the scaffold fabrication with Thermal Analysis (TGA-DSC). The scaffolds characterization was performed by Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffractometry, and Scanning Electron Microscopy (SEM-EDS). Moreover, the apatite forming ability of the scaffolds was investigated through the immersion in the Simulated Body Fluid (SBF), their degradability were investigated in Tris buffer solution (simulation test) and citric acid solution (extreme test) (ISO 10993-14), their ion release capability was investigated after immersion in SBF by Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES), their mechanical stability was tested under uniaxial compression loads (ASTM-C773) whereas the porosity of the scaffolds was calculated by employing the Archimedes Method. After the full investigation of the properties of the synthesized scaffolds the Sr-containing scaffolds were found to present the best properties among the scaffold groups. They exhibited not only superior structural but also better physical properties.

Η ανάπτυξη νέων προτύπων τρισδιάστατων υαλοκεραμικών ικριωμάτων θα μπορούσε να απαντήσει στην ολοένα και αυξανόμενη ανάγκη για λειτουργικές και αισθητικές οδοντικές αποκαταστάσεις. Καθώς η χρήση των ικριωμάτων έχει διερευνηθεί και έχει αποδειχθεί πως αποδίδει θετικά ως προς τη κατεύθυνση της αποκατάστασης ιστών, είναι ακόμα ανοιχτό το πεδίο που αφορά στη βελτίωση των ιδιοτήτων τους, βελτιώνοντας ταυτόχρονα την απόκρισή τους στην τελική εφαρμογή τους. Επομένως, ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο “Βιοκεραμικά Υλικά για την κατασκευή Ικριωμάτων με στόχο την αναγέννηση οδοντικών ιστών”, είναι η σύνθεση πρότυπων τρισδιάστατων υαλοκεραμικών ικριωμάτων με προσθήκη μεταλλικών στοιχείων με στόχο τη βελτίωση των ιδιοτήτων τους ώστε να μπορέσουν να προκαλέσουν τη διέγερση για την ανάπτυξη οδοντικών ιστών. Στη παρούσα διατριβή γίνεται εκτενής αναφορά τόσο στο βιβλιογραφικό υπόβαθρο στο οποίο βασίστηκε, όσο και στις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των υαλοκεραμικών ικριωμάτων αλλά και στα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν. Έτσι στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά οι λόγοι για τους οποίους τα υαλοκεραμικά υλικά θεωρούνται αξιόπιστα για εφαρμογές αναγεννητικής αποκατάστασης, γίνεται μια συνοπτική αναφορά στη σημασία των ικριωμάτων και παρουσιάζονται οι βασικές μέθοδοι παρασκευής τους. Ταυτόχρονα δίνονται οι λόγοι για τους οποίους η προσθήκη διαφόρων μεταλλικών στοιχείων σε υαλοκεραμικά ικριώματα μπορεί να επιφέρει θετικά αποτελέσματα στη προσπάθεια αναγέννησης οδοντικών ιστών. Επιπλέον γίνεται αναφορά στις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των ικριωμάτων, ενώ στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται οι διάφορες ερευνητικές υποθέσεις που τέθηκαν αλλά και ο στόχος της παρούσας διατριβής. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα υλικά και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε ώστε να παρασκευαστούν τα ικριώματα. Ακολούθησε ο χαρακτηρισμός και η μελέτη τους μέσω των τεχνικών TGA-DSC, FTIR, XRD και SEM-EDS. Επιπροσθέτως, η μελέτη της ικανότητας ανάπτυξης βιολογικού στρώματος απατίτη πραγματοποιήθηκε με την εμβάπτιση των ικριωμάτων σε SBF, η μελέτη του ρυθμού αποδόμησης τους πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με το ISO 10993-14, ενώ ο ρυθμός απελευθέρωσης ιόντων μελετήθηκε μετά από βύθισή τους σε SBF μέσω της τεχνικής ICP-AES. Η μηχανική αντοχή τους υπό θλιπτικές τάσεις μελετήθηκε σύμφωνα με το ASTM-C773, ενώ το πορώδες τους υπολογίστηκε μέσω της μεθόδου του Αρχιμήδη. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ερευνητικής διαδικασίας. Η μελέτη του πορώδους τους κατέδειξε υψηλές τιμές (<70%) ενώ το μέγεθος πόρων κυμαινόταν σε αρκετά ικανοποιητικά επίπεδα για όλες τις ομάδες (250-350μm). Παρατηρήθηκαν αρκετά χαμηλοί ρυθμοί αποδόμησης, ενώ όπως αναμενόταν η μηχανική αντοχή που παρατηρήθηκε για τα ικριώματα εμφάνισε εξαιρετικά χαμηλές τιμές. Η ικανότητα των ικριωμάτων στροντίου να επάγουν την ανάπτυξη απατίτη στην επιφάνειά τους παρατηρήθηκε σε χαμηλούς ρυθμούς, ενώ για τις υπόλοιπες ομάδες ικριωμάτων, όπως φαίνεται δε κατέστη δυνατή η ανάπτυξη του στρώματος αυτού. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η ανάλυση των αποτελεσμάτων, στα οποία παρατηρείται η ανωτερότητα των ικριωμάτων με προσθήκη στροντίου τόσο επιδεικνύοντας καλύτερες δομικές αλλά και φυσικο-χημικές ιδιότητες.