Σύνθεση με τεχνική sol-gel και χαρακτηρισμός βιοϊατρικών υλικών βασιζόμενων σε οργανοπυριτικά συστήματα

Abstract

The aim of this Thesis is the synthesis by the sol-gel technique and the characterization of biomaterials based on organosilicate systems and their in-vitro bioactivity study by immersion in simulated blood plasma fluid (tris - buffer or SBF solution). Specifically, biomaterials will be synthesized based on organosilicate systems from distilled water, nitric acid (2N), calcium nitrate tetrahydrated Ca (NO3) 2.4H2O as a source of calcium and tetraethyl orthosilicate (TEOS - Si (OC2H5) 4) as a source of silicon using the sol-gel technique with and without additional polymers (polyethylene and poly (methyl methacrylate)) as polymer granules (diameter <300 μm)). The PMMA synthesis will be held by the suspension polymerization technique.These materials will be characterized with appropriate methods and techniques, such as DTA / TGA, FTIR , XRD, SEM / EDAX και NMR. With the sol-gel technique a total of five types of organosilicate systemshave been synthesized. The synthesis was made in accordance with the following stages of the sol-gel technique: mixing of the reactants, gelation, aging, drying, pyrosis/ stabilization. In order to study the effect of the fluid blood plasma (SBF solution) on the surfaces of organosilicate systems a simulated blood plasma fluid (tris-buffer solution or SBF) was prepared with ion concentrations nearly equal to those of blood plasma.The FTIR spectra of all the glass systems confirm the removal of organic matter and nitrate groups from the glasses after stabilization at 700 0C, further certified from the DTA diagrams. The detection of phosphate and carbonate groups on the surface of the glass systems after immersion in SBF solution for 14 days certify their bioactive behavior.The XRD results indicate that all the glass systems produced are amorphous even after stabilization at 700 0C. After their immersion in SBF solution for 14 days, the crystalline phase of hydroxyapatite and calcite. The presence of crystalline phases certifies the bioactivity of glasses.The SEM results showed that the addition of thermoplastic polymers (PEG and PMMA) change the structure of glasses from a mesoporous to a macroporous structure and therefore also their properties. After immersing the glasses in SBF solution for 14 days, it was observed that on the surface of the glass systems and into the pores a compact layer of hydroxyapatite was formed. The formation of hydroxyapatite on the glass surface shows the existence of bioactivity.Concluding, it can be said that combining the sol-gel technique with the addition of polymers (PEG and PMMA) new macroporous glass of the SiO2 - CaO system were prepared with high purity, non-toxicity and good bioactivity. It was found that the bioactivity depends directly on the synthesis and structure of the glass.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση με την τεχνική λύματος-πηκτής (sol-gel) και ο χαρακτηρισμός βιοϋλικών βασιζόμενων σε οργανοπυριτικά συστήματα, καθώς και η μελέτη της in vitro βιοενεργότητάς τους με εμβάπτιση σε προσομοιωμένο υγρό πλάσματος αίματος (διάλυμα tris - buffer ή SBF). Συγκριμένα, θα παραχθούν βιοϋλικά βασιζόμενα σε οργανοπυριτικά συστήματα από απεσταγμένο νερό, νιτρικό οξύ (2Ν), ένυδρο νιτρικό ασβέστιο Ca(NO3)2.4H2O, ως πηγή ασβεστίου και τετρα-αιθυλεστέρα του ορθοπυριτικού οξέος (TEOS - Si(OC2H5)4), ως πηγή πυριτίου, χρησιμοποιώντας την τεχνική sol - gel με και χωρίς πρόσθετα πολυμερή (πολυαιθυλενογλυκόλη και πολυ(μεθακρυλικό μεθύλιο), ως πολυμερές με μορφή κόκκων (διάμετρο < 300μm)). Η σύνθεση του PMMA θα πραγματοποιηθεί με την τεχνική του αιωρήματος. Αυτά τα υλικά θα χαρακτηριστούν με κατάλληλες μεθόδους και τεχνικές, όπως με DTA / TGA, FTIR , XRD, SEM / EDAX και NMR.Με την τεχνική λύματος-πηκτής (sol - gel) έχουν παρασκευασθεί συνολικά 5 τύποι οργανοπυριτικών συστημάτων. Η σύνθεση πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τα παρακάτω στάδια της τεχνικής λύματος - πηκτής: ανάμειξη των αντιδρώντων, υαλοποίηση, γήρανση, ξήρανση, πύρωση/ σταθεροποίηση. Για να μελετηθεί η επίδραση του υγρού πλάσματος αίματος (διάλυμα SBF) στις επιφάνειες των οργανοπυριτικών συστημάτων, παρασκευάσθηκε ένα προσομοιωμένο υγρό πλάσματος αίματος (διάλυμα tris - buffer ή SBF) με ιοντική συγκέντρωση όμοια με αυτή του πλάσματος αίματος.Τα FTIR φάσματα όλων τον συστημάτων γυαλιών επιβεβαιώνουν την απομάκρυνση των οργανικών ουσιών και των νιτρικών ομάδων από τα γυαλιά μετά την σταθεροποίησή τους στους 700 0C, κάτι το οποίο πιστοποιείται και από τα διαγράμματα DTA. Η ανίχνευση των φωσφορικών και των ανθρακικών ομάδων στην επιφάνεια όλων των συστημάτων γυαλιών μετά από την εμβάπτισή τους στο διάλυμα SBF για 14 ημέρες πιστοποιεί την βιοενεργή συμπεριφορά τους.Τα αποτελέσματα XRD δείχνουν ότι όλα τα παραγόμενα συστήματα γυαλιών είναι άμορφα ακόμα και μετά από τη σταθεροποίησή τους στους 700 0C. Mετά την παραμονή τους στο διάλυμα SBF για 14 ημέρες, προσδιορίστηκε η κρυσταλλική φάση του υδροξυαπατίτη και του καλσίτη. Η παρουσία αυτών των κρυσταλλικών φάσεων πιστοποιεί την βιοενεργότητα των γυαλιών.Τα SEM αποτελέσματα έδειξαν ότι με την προσθήκη των θερμοπλαστικών πολυμερών (PEG και PΜΜΑ) αλλάζει η δομή των γυαλιών από μεσοπορώδης δομή σε μακροπορώδη δομή και επομένως και οι ιδιότητές τους. Μετά την εμβάπτιση των γυαλιών στο διάλυμα SBF για 14 ημέρες, παρατηρήθηκε ότι στην επιφάνεια όλων των συστημάτων γυαλιών αλλά και μέσα στους πόρους σχηματίσθηκε ένα συμπαγές στρώμα υδροξυαπατίτη. Ο σχηματισμός του υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια του γυαλιού αποδεικνύει την ύπαρξη βιοενεργότητας.Συνοπτικά, μπορεί να λεχθεί ότι με συνδυασμό τεχνικής λύματος - πηκτής και προσθήκη πολυμερών (PEG και PMMA) παρασκευάστηκαν νέα μακροπορώδη γυαλιά συστήματος SiO2 - CaO, με υψηλή καθαρότητα, χωρίς τοξικότητα και καλή βιοενεργότητα. Διαπιστώνεται ότι η βιοενεργότητα εξαρτάται άμεσα από τη σύσταση και τη δομή του γυαλιού.