Βιοϋλικά με βάση τον υδροξυαπατίτη φυσικής προέλευσης σε εφαρμογές στην αναγεννητική ορθοπεδική ιατρική
Φόρτωση...
Ημερομηνία
Συγγραφείς
Λαγοπάτη, Νεφέλη
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Περίληψη
Τύπος
Είδος δημοσίευσης σε συνέδριο
Είδος περιοδικού
Είδος εκπαιδευτικού υλικού
Όνομα συνεδρίου
Όνομα περιοδικού
Όνομα βιβλίου
Σειρά βιβλίου
Έκδοση βιβλίου
Συμπληρωματικός/δευτερεύων τίτλος
Περιγραφή
Η αύξηση του προσδόκιμου ζωής, ως αποτέλεσμα των επιτευγμάτων της ιατρικής και άλλων επιστημών που συμβάλλουν θετικά προς αυτή την κατεύθυνση, σε συνδυασμό με τα υψηλά ποσοστά ατυχημάτων, δημιουργεί επιτακτικά την ανάγκη για αντικατάσταση ή αναγέννηση ιστών που έχουν υποστεί σημαντική βλάβη, πάσχουν από κάποια εκφυλιστική πάθηση ή δεν υπάρχουν πια. Η αναγεννητική ιατρική είναι ένας διεπιστημονικός κλάδος που στοχεύει να καλύψει αυτές τις ανάγκες, με τη βοήθεια της ιστομηχανικής. Εστιάζοντας τα ενδιαφέρον στους σκληρούς, κυρίως, οστικούς ιστούς, είναι απαραίτητη, επομένως, η ανάπτυξη καινοτόμων ικριωμάτων, που μπορούν να ευνοήσουν την οστεογένεση στο νέο-σχηματιζόμενο οστό.
Η εργασία αυτή εκπονήθηκε και συγγράφτηκε έτσι ώστε να αποτυπώσει με έναν ολοκληρωμένο τρόπο την ανάπτυξη βιοϋλικών με βάση τον υδροξυαπατίτη (ΗΑ) φυσικής προέλευσης. Μέσω ενδελεχούς ανασκόπησης μίας εκτενούς βιβλιογραφίας, παρουσιάζεται το διεπιστημονικό υπόβαθρο, βάσει του οποίου γίνεται η ανάπτυξη αυτών των υλικών, με στόχο την εφαρμογή τους στην αναγεννητική και χειρουργική ορθοπεδική. Με σκοπό να αναδειχτεί η διεπιστημονικότητα της φύσης αυτού του αντικειμένου έρευνας, χωρίς να διαρραγεί η επιστημονική συνέχεια, μέσω του τρόπου παρουσίασης, θεωρήθηκε σκόπιμο να μην γίνει διαχωρισμός εισαγωγικού και πειραματικού μέρους, και η εργασία να έχει τη δομή άρθρου ανασκόπησης, και όχι ενός επιστημονικού άρθρου.
Το οστό είναι σύνθετο νανοϋλικό από ΗΑ και, κυρίως, κολλαγόνο, ως οργανική-πολυμερική φάση. Η δομή αυτή του προσδίδει κεραμική φύση, αλλά και ελαστικότητα. Η ανάπτυξη πορωδών ικριωμάτων ΗΑ για χρήση τους ως οστικά υποκατάστατα παρουσιάζει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Αυτό μπορεί να προσεγγιστεί με την κατασκευή κάποιου φορέα, που όταν εμφυτευθεί στην επιλεγμένη περιοχή του οστού, θα δώσει εκεί τα κατάλληλα φάρμακα, ή τα απαιτούμενα κύτταρα, ή τα κατάλληλα γεωμετρικά, χημικά, ή βιολογικά ερεθίσματα και τους παράγοντες που μπορούν να επιτελέσουν το έργο της ανασύνθεσης του κατεστραμμένου ιστού. Έτσι, η σχεδίαση ενός ιδανικού ικριώματος για πλήρωση οστικών ελλειμμάτων θα μπορούσε να περιλαμβάνει ένα πορώδες σύνθετο βιοενεργό βιοϋλικό. Το πορώδες θα ευνοήσει τη διείσδυση, αμέσως μετά την εμφύτευση, των βιολογικών υγρών και των κυττάρων του αίματος, και σε επόμενο στάδιο θα καθοδηγήσει την αγγείωση και θα επάγει το σχηματισμό του οστίτη ιστού. Το υλικό μπορεί να αποτελείται από μία βιοδιασπώμενη πολυμερική μήτρα και από ένα βιοκεραμικό κεραμικό υλικό, παρουσιάζοντας χαρακτηριστικά βιοενεργότητας και βιοαπορροφησιμότητας και τις απαραίτητες μηχανικές ιδιότητες κατά τη διάρκεια της οστεοενσωμάτωσης και οστεοσύνθεσης του νεοσχηματιζόμενου οστού. Παρουσιάζονται δύο προσεγγίσεις ενός τέτοιου σχεδιασμού: η πρώτη αφορά στη διείσδυση πορώδους πολυμερικού αφρού υδροπηκτώματος σε πορώδη ΗΑ και η δεύτερη βιομιμητικό σχηματισμό σωματιδίων ΗΑ σε μήτρα από πολυμερικό υδροπήκτωμα. Στην περίπτωση της in situ βιομιμητικής σύνθεσης ΗΑ, μέσα στη μήτρα των υδροπηκτωμάτων, η πιο σημαντική πρόκληση είναι ο ΗΑ να έχει χαρακτηριστικά βιολογικού νανο-απατίτη. Στην περίπτωση σύνθεσης με διείσδυση υδροπηκτώματος σε ΗΑ, η λήψη ΗΑ έγινε από πρώτες ύλες θαλάσσιας προέλευσης, και συγκεκριμένα από το εσωτερικό κέλυφος της σουπιάς Sepia Officinalis, το οποίο μετασχηματίστηκε σε ΗΑ με υδροθερμικό μετασχηματισμό. Η επιλογή αυτή συγκεντρώνει πλεονεκτήματα από τεχνική άποψη, αλλά και λόγω μεγάλης διαθεσιμότητας σε παγκόσμια κλίμακα, καθώς και χαμηλού κόστους. Τα υδροπηκτώματα είναι δημοφιλή στην ιατρική και ερευνώνται ευρέως ως ικριώματα για πιθανές εφαρμογές στην ιστομηχανική. Η εργασία αυτή εστιάζει σε δύο υδροπηκτώματα φυσικής προέλευσης, τα βιοδιασπώμενα υδροπηκτώματα που βασίζονται στο αλγινικό οξύ και τη χιτοζάνη. Παρουσιάζεται πώς τα λυοφιλοποιημένα αυτά υδροπηκτώματα μπορούν να ενισχύσουν το ικρίωμα το πορώδους ΗΑ. Το τελικό βιοϋλικό, συγκεντρώνει πολλά πλεονεκτήματα, ως προς το χειρισμό του από το χειρουργό, αλλά και ως προς τις βιοενεργές του ιδιότητες.
Σημαντικό στάδιο της μελέτης της ανάπτυξης νέων βιοϋλικών και ικριωμάτων είναι πάντα η in vitro συμπεριφορά σε κυτταροκαλλιέργειες, καθώς και ο in vivo έλεγχος με εμφύτευση των ικριωμάτων σε πειραματόζωα. Και οι δύο αυτές πτυχές περιγράφονται και αναλύονται στην εργασία αυτή, για τα ίδια τα υλικά που κατασκευάστηκαν, αλλά και υπό ένα ευρύτερο φάσμα και οπτική. Επίσης παρουσιάζονται και οι προοπτικές των υλικών αυτών αναφορικά με την πιθανή ανάπτυξη συστημάτων μεταφοράς και απελευθέρωσης φαρμάκων. Στο τελευταίο μέρος, η εργασία εστιάζει το ενδιαφέρον της σε μία γενική συζήτηση με απώτερο σκοπό να αναδειχτούν μελλοντικές προοπτικές, ως φυσική απόρροια των πρόσφατων επιτευγμάτων και της γνώσης που διαθέτουμε σε αυτό το πολλά υποσχόμενο και ταχύτατα αναπτυσσόμενο, αλλά πάντα με καθαρά ανθρωποκεντρικό χαρακτήρα, διεπιστημονικό πεδίο.
An increase in life expectancy due to improvements in healthcare, in parallel with high percentage of injures, because of traffic accidents and sport activities, has emerged as the primary reasons for the replacements of lost, infected, and damaged bones. Combined with tissue engineering, this is an area of great interest to regenerative medicine. In orthopedics, novel scaffolds development, providing a suitable environment that can favor osteoinduction for the newly formed bone is needed. Composite porous hydrogels, based on alginic acid and chitosan with the dispersed phase from powders of bioceramics, such as hydroxyapatite (HA), are recently developed for this reason. This study was structured and written in order to present an integrated way of the development of biomaterials, based on hydroxyapatite (HA) of natural origin. Τhe extensive review of the literature, regarding to the development of biomaterials, which can be reliably utilized in orthopedics and maxillofacial surgery was obligatory in order to highlight the interdisciplinary nature of this research object, and the timelessness of its importance. In this way, it was advisable the form of this dissertation to simulate the form of a review article, meaning that the introduction and the experimental part are not separately presented. Natural bone can be considered as a composite nanomaterial based on HA and collagen, as the main compound of the organic polymeric phase. This structure allows to bone behaving as a bioceramic with important elasticity. Artificially, a structure which could resemble the microstructure and the texture of the natural bone, would be a scaffold with the potential to release drugs, or cells, or growth factors or activate appropriate biological, physical and chemical stimuli, to induce hard tissue regeneration. The selection of a porous composite bioactive biomaterial favors the penetration of biological liquids and blood cells, post implantation of the scaffold. Angiogenesis and bone tissue formation are following. In this work, a reverse and a novel approach, of the design and production of 3D HA-scaffold enriched with two popular hydrogels, based on alginic acid and chitosan are reported. The first method includes the hydrogel penetration into a porous HA and the second approaches the development of this scaffold from a biomimetic point of view, namely the formation of ΗΑ (nano) particles inside a polymeric matrix made of the previously mentioned hydrogels. This reinforcement of HA with alginate or chitosan hydrogels, through infiltration method gives to the final product proper mechanical potential for hard tissue regeneration. More specifically, HA is usually obtained from aragonite from cuttlefish bones (CB) from the species Sepia Officinalis and via hydrothermal transformation. The worldwide availability and the low cost of cuttlefish bone, along with their biological-natural origin are attractive features making them highly sorted material used in the preparation of advanced scaffolds containing HA for applications in biomedicine. These advanced scaffolds are easily handled by the surgeon while maintaining their porous structure during the implantation process to promote the regeneration of newly formed bone tissue. In particular, once such a scaffold is implanted in an area where the bone tissue is lost, biological liquids will be able to penetrate into the pores of the lyophilized composite scaffold. The polymeric matrix will then be dissolved and the remaining HA, or its precursor compounds, which will eventually transform into HA, will promote osteoinduction. In vitro and in vivo studies of the developed biomaterials and scaffolds are required. Also, the prospects of these materials are presented with regard to the possible development of drug delivery systems. The optimization of the fabrication technique is required to unravel the endless potential of biomaterials, shedding light on this promising interdisciplinary field, which includes both tissue engineering and drug delivery system approaches.
An increase in life expectancy due to improvements in healthcare, in parallel with high percentage of injures, because of traffic accidents and sport activities, has emerged as the primary reasons for the replacements of lost, infected, and damaged bones. Combined with tissue engineering, this is an area of great interest to regenerative medicine. In orthopedics, novel scaffolds development, providing a suitable environment that can favor osteoinduction for the newly formed bone is needed. Composite porous hydrogels, based on alginic acid and chitosan with the dispersed phase from powders of bioceramics, such as hydroxyapatite (HA), are recently developed for this reason. This study was structured and written in order to present an integrated way of the development of biomaterials, based on hydroxyapatite (HA) of natural origin. Τhe extensive review of the literature, regarding to the development of biomaterials, which can be reliably utilized in orthopedics and maxillofacial surgery was obligatory in order to highlight the interdisciplinary nature of this research object, and the timelessness of its importance. In this way, it was advisable the form of this dissertation to simulate the form of a review article, meaning that the introduction and the experimental part are not separately presented. Natural bone can be considered as a composite nanomaterial based on HA and collagen, as the main compound of the organic polymeric phase. This structure allows to bone behaving as a bioceramic with important elasticity. Artificially, a structure which could resemble the microstructure and the texture of the natural bone, would be a scaffold with the potential to release drugs, or cells, or growth factors or activate appropriate biological, physical and chemical stimuli, to induce hard tissue regeneration. The selection of a porous composite bioactive biomaterial favors the penetration of biological liquids and blood cells, post implantation of the scaffold. Angiogenesis and bone tissue formation are following. In this work, a reverse and a novel approach, of the design and production of 3D HA-scaffold enriched with two popular hydrogels, based on alginic acid and chitosan are reported. The first method includes the hydrogel penetration into a porous HA and the second approaches the development of this scaffold from a biomimetic point of view, namely the formation of ΗΑ (nano) particles inside a polymeric matrix made of the previously mentioned hydrogels. This reinforcement of HA with alginate or chitosan hydrogels, through infiltration method gives to the final product proper mechanical potential for hard tissue regeneration. More specifically, HA is usually obtained from aragonite from cuttlefish bones (CB) from the species Sepia Officinalis and via hydrothermal transformation. The worldwide availability and the low cost of cuttlefish bone, along with their biological-natural origin are attractive features making them highly sorted material used in the preparation of advanced scaffolds containing HA for applications in biomedicine. These advanced scaffolds are easily handled by the surgeon while maintaining their porous structure during the implantation process to promote the regeneration of newly formed bone tissue. In particular, once such a scaffold is implanted in an area where the bone tissue is lost, biological liquids will be able to penetrate into the pores of the lyophilized composite scaffold. The polymeric matrix will then be dissolved and the remaining HA, or its precursor compounds, which will eventually transform into HA, will promote osteoinduction. In vitro and in vivo studies of the developed biomaterials and scaffolds are required. Also, the prospects of these materials are presented with regard to the possible development of drug delivery systems. The optimization of the fabrication technique is required to unravel the endless potential of biomaterials, shedding light on this promising interdisciplinary field, which includes both tissue engineering and drug delivery system approaches.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Υδροξυαπατίτης (HA), Υδροθερμικός μετασχηματισμός, Εσωτερικό κέλυφος σουπιάς, Ικριώματα ιστομηχανικής, Βιομιμητική σύνθεση, Υδροπηκτώματα, Αλγινικό οξύ, Χιτοζάνη, Οστικά ελλείμματα, Οστικά μοσχεύματα, Οστεοβλάστες, Πειραματόζωα, In vitro, In vivo, Hydroxyapatite (HA), Hydrothremal transformation, Cuttlefishbone, Tissue engineering scaffolds, Biomimetic synthesis, Hydrogels, Alginate, Chitosan, Bone deficiencies, Boen implants, Osteoblasts, Lab animals
Θεματική κατηγορία
Βιοϋλικά
Παραπομπή
Σύνδεσμος
Γλώσσα
el
Εκδίδον τμήμα/τομέας
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Όνομα επιβλέποντος
Αγαθόπουλος, Συμεών
Εξεταστική επιτροπή
Αγαθόπουλος, Συμεών
Γουρνής, Δημήτριος
Καράvτζαλης, Αλέξανδρος
Γουρνής, Δημήτριος
Καράvτζαλης, Αλέξανδρος
Γενική Περιγραφή / Σχόλια
Ίδρυμα και Σχολή/Τμήμα του υποβάλλοντος
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Πίνακας περιεχομένων
Χορηγός
Βιβλιογραφική αναφορά
Βιβλιογραφία: σ. 137-154
Ονόματα συντελεστών
Αριθμός σελίδων
154 σ.