Σύνθεση και μελέτη νέων βιονανοσύνθετων πολυμερικών υλικών για εφαρμογές ιστομηχανικής

Abstract

In the context of this PhD dissertation, bionanocomposite polymeric materials based on poly (ε-caprolactone) (PCL) were synthesized and studied in order to improve its physicochemical and biological properties. PCL is an aliphatic, biodegradable and biocompatible aliphatic polyester used primarily in biomedical applications. Apart from these attractive features, including easy moulding, 3D printing capability and good rheological properties, PCL is a bioinert polymer, which limits cell adhesion and proliferation on its surface and hence its range of applications is limited, as well as its use in high load bearing applications because of its low mechanical properties. It is a fact that a single-component scaffold cannot meet all the requirements for biomedical applications, and for this reason the scientific community has turned to composite and nanocomposite materials to solve the challenges it faces, which are increasingly demanding as medicine and technology evolve. In this context, this thesis examined the possibility of optimizing the physicochemical and biological properties of PCL in order to meet as many of the conditions required for a scaffold in tissue engineering applications as possible. Two classes of nanoparticles, aluminosilicate nanotubes and nanobioglasses of various compositions, were incorporated in the polymeric matrix PCL by in situ ring opening polymerization, as well as by spin coating. The nanoparticles were fully characterized and demonstrated remarkable physicochemical and morphological properties, while their cytotoxicity was assessed by in vitro assays. Due to the versatility of composite and nanocomposite materials with PCL, as well as their good bioactivity and biocompatibility, we can conclude that they can offer solutions in different fields of tissue engineering and regenerative medicine. Their properties can be regulated by varying the molecular weight, additive content, chemical structure and size of the additives, and the introduction of active pharmaceutical ingredients into their pore structure. The added advantage of synthetic polymeric materials against ceramics and metals is therefore the flexibility in their properties but also in their shape which can be modified by a variety of techniques. It is not random, therefore, that the international scientific community believes that new generation biomaterials are expected to be hybrid, bio-functional, intelligent and contain active ingredients. As a result, much of the research is still under way and is not yet completed in order to draw a definitive conclusion on the effect of nanoparticles on biomaterials. The combination of biodegradable polymers and nanoparticles opens up a new perspective in the development of bionanocomposites for biomedical applications with adjustable mechanical, thermal, morphological and electrical properties.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, συντέθηκαν και μελετήθηκαν βιονανοσύνθετα πολυμερικά υλικά με βάση την πολυ(ε-καπρολακτόνη) (PCL), με στόχο τη βελτίωση των φυσικοχημικών και βιολογικών της ιδιοτήτων. Η PCL είναι ένας αλειφατικός, βιοαποικοδομήσιμος και βιοσυμβατός αλειφατικός πολυεστέρας που χρησιμοποιείται κυρίως σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Πέρα όμως από αυτά τα ελκυστικά της χαρακτηριστικά, που συμπεριλαμβάνουν την εύκολη μορφοποίηση, δυνατότητα 3D εκτύπωσης και καλές ρεολογικές ιδιότητες, η PCL είναι ένα βιοαδρανές πολυμερές, κάτι το οποίο περιορίζει τη προσκόλληση και τον πολλαπλασιασμό κυττάρων στην επιφάνειά του και συνεπώς και το εύρος εφαρμογών της στην ιστομηχανική, καθώς επίσης δεν μπορεί να ανταπεξέλθει σε εφαρμογές με μεγάλα μηχανικά φορτία λόγω των χαμηλών μηχανικών της ιδιοτήτων. Είναι γεγονός ότι ένα μονοφασικό ικρίωμα δεν μπορεί να ικανοποιήσει όλες τις απαιτήσεις τις εκάστοτε βιοϊατρικής εφαρμογής, και για το λόγο αυτό η επιστημονική κοινότητα έχει στραφεί στα σύνθετα και νανοσύνθετα υλικά για την επίλυση των προκλήσεων που αντιμετωπίζει, οι οποίες είναι ολοένα πιο απαιτητικές καθώς προοδεύει η Ιατρική και η Τεχνολογία. Στα πλαίσια αυτά, σε αυτή τη διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η δυνατότητα βελτιστοποίησης των φυσικοχημικών και βιολογικών ιδιοτήτων της PCL έτσι ώστε να πληρεί όσο το δυνατόν περισσότερες από τις προϋποθέσεις που απαιτούνται για ένα ικρίωμα σε εφαρμογές ιστομηχανικής. Επιλέχθηκαν δύο κατηγορίες νανοπροσθέτων, οι αργυλοπυριτικοί νανοσωλήνες και νανοβιοϋαλοι διαφόρων συστάσεων, τα οποία ενσωματώθηκαν στη πολυμερική μήτρα PCL μέσω in situ πολυμερισμού διάνοιξης δακτυλίου καθώς και μέσω της τεχνικής της περιστροφικής συν-απόθεσης (spin coating). Τα νανοσωματίδια χαρακτηρίστηκαν πλήρως και αποδείχθηκε ότι παρουσιάζουν αξιοσημείωτες φυσικοχημικές και μορφολογικές ιδιότητες, ενώ η κυτταροτοξιτότητα τους αξιολογήθηκε με in vitro δοκιμές. Λόγω της ευελιξίας των σύνθετων και νανοσύνθετων υλικών με PCL, καθώς και της καλής τους βιοενεργότητας και βιοσυμβατότητας, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι μπορούν να προσφέρουν λύσεις σε διάφορα πεδία της ιστομηχανικής και της αναγεννητικής ιατρικής. Οι ιδιότητες τους μπορούν να ρυθμιστούν μεταβάλλοντας το μοριακό βάρος, το περιεχόμενα σε πρόσθετα, τη χημική δομή και το μέγεθος των προσθέτων, και την εισαγωγή δραστικών φαρμακευτικών ουσιών στο πορώδες τους. Το πρόσθετο πλεονέκτημα των συνθετικών πολυμερικών υλικών έναντι των κεραμικών και των μετάλλων είναι λοιπόν αυτό, η ευελιξία δηλαδή στις ιδιότητες τους αλλά και στο σχήμα τους που μπορεί να τροποποιηθεί με μία πληθώρα τεχνικών. Δεν είναι τυχαίο λοιπόν ότι η διεθνής επιστημονική κοινότητα πιστεύει ότι τα βιοϋλικλα νέας γενιάς αναμένοται να είναι υβριδικά, βιολειτουργικά, έξυπνα και να περιέχουν δραστικά συστατικά. Ως αποτέλεσμα, μεγάλο μέρος της έρευνας εξακολουθεί να βρίσκεται σε εξέλιξη και δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί ώστε να εξαχθεί ένα οριστικό συμπέρασμα σχετικά με την επίδραση των νανοπροσθέτων στα βιοϋλικά. Ο συνδυασμός βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών και νανοπροσθέτων ανοίγει νέα προοπτική στην εξέλιξη νανοσυσκευών για βιοϊατρικές εφαρμογές με ρυθμιζόμενες μηχανικές, θερμικές, μορφολογικές και ηλεκτρικές ιδιότητες.