Μελέτη υλικών βιολογικού ενδιαφέροντος μέσω προηγμένων φασματοσκοπικών τεχνικών

Abstract

Recently the study of biomaterials has moved in two directions, the evolution of drug deliverysystems and of systems that can stimulate specific cellular responses. Our investigation aims tothe study of drug delivery systems for bone cancer therapy. These systems must fulfill twoimportant functionalities. At first, they should be able to deliver drug molecules to bone cancerenvironment through loading or surface conjugation and subsequently to cause osteogenesis.Their second functionality is especially important since it leads to substitution of bone defectscaused from the action of cancer cells. Bioactive glasses are of great advantage because of theirability to form hydroxyapatite and to bond to bone tissue after implantation. However,compared to bioglasses, bioactive nanospheres offer quite interesting advantages due to theirenhanced properties in drug delivery and their ability to seal bone defects of irregulargeometry.For this purpose in the present thesis characteristic bioactive glassy structures are studied inorder to investigate their conversion to nanoscale structures for further application in drugdelivery as target agents in bone cancer. Of great importance is the investigation of the role ofphosphorus in osteogenesis. Therefore, the ex vitro study of local phosphorous environment in45S5 bioglasses is studied through 31P MAS NMR and 1H-31P CP MAS NMR experiments.The nearly identical NMR spectra obtained by cross-polarization verified that the 31Penvironments and its SBF induced surface layers consist of water molecules and OH groupswhich are probably primarily associated with the a-CaP surface layer and secondly with theCaP components of the bioglasses. Moreover, the confirmed presence of a-CaP surface layerwas observed through the full width at half-maximum height which is significantly broaderthan that presented by nano-crystalline HCA and is typical for an amorphous orthophosphatephase. The obtained information proved the important contribution of the phosphorousenvironment from the first stage of apatite formation, the presence of which results inenhanced contribution to HCA formation and subsequent osteogenesis.Furthermore, the ability of the glassy network to deliver drug molecules was studied. For thispurpose, expanded ex vitro research was followed in DOX conjugated pH-sensitivefunctionalized silica xerogels. Specifically, silica xerogels were synthesized through a sol-gelprocess and further functionalized with carbodiimide chemistry. The functionalization processresulted in pH-sensitive dextran hydrogels. The anticancer drug DOX was bounded on thefunctionalized xerogel by a second stage of EDC coupling. Moreover the bioactivities of thefunctionalized xerogels in connection to release studies in acidic and neutral pH were alsofollowed. According to the SBF study, flake-like apatite formations were observed after 7 daysof treatment. The release of the DOX through an acidic treatment can possibly be attributed toan acidic sensitive esteric bond formation. Consequently, the above organically modified xerogels can probably act in targeted bone cancer therapy, where drug release and boneregeneration are expected.The study of the enhanced properties of glassy substrates was followed by the synthesis ofamorphous bioactive nanospheres. The compositions studied are binary silicate SiO2 - CaO,SiO2 - MgO, SiO2 - Na2O, triple SiO2–CaO-Na2O, SiO2 - P2O5 - CaO, SiO2-P2O5-Na2O andternary SiO2-P2O5-CaO-Na2O. For the synthesis of the glassy hollow nanospheres the sol-gelmethod was used, with polystyrene core nanoparticles resulting in silicate and phosphosilicatenanospheres. In order to investigate the coating process different coating parameters werestudied such as H2O:EtOH proportion, the concentration of initiators as well as the substrate’sconcentration. Moreover, the removal of the polystyrene core was studied by treatment inwater/THF solution, which resulted in 30% core removal. Due to the remnant PS core aftertreatment in water/THF solution, the change of the organic core and the use of PMMA-coHPMAwere advantageous due to the enhanced mechanical properties of PMMA-co-HPMAand its use in bone cements. The use of PMMA-co-HPMA nanoparticles results in phaseseparation of TEOS which occurs in the interphase of PMMA-co-HPMA. Specifically, the areaof surface polymerization constitutes the nucleation sites where the polycondensation of themonomer occurs and results to the stabilization of the glassy network. After the coatingprocess the hybrid nanospheres present smaller diameter than the template PMMA-co-HPMAnanoparticles. Next, the functionalization of PMMA-co-HPMA/SiO2 nanospheres wasimplemented in order to enhance the morphology and functionality of the silica network. Themorphology specifies the extent of interface between the drug delivery nanospheres and thesimulated body fluids and may affect the drug release rate. For the reason, the PMMA-coHPMA/SiO2 nanospheres were functionalized with APTES.In order to accomplish our comparative investigation, we followed the ex vitro study of theabove hybrid binary silicate, ternary and quaternary phosphosilicate nanospheres as well as thesilicate PS and PMMA-co-HPMA nanospheres. The incubation in SBF solution resulted in theformation of a silica-substituted carbonate hydroxyapatite (Si-HCA) a with crystallite size ofaround 45 nm and extended surface aggregates. Moreover, the hybrid PS and PMMA-coHPMAnanospheres constitute a distinctive case of silicate systems with no calcium contentwhich present biocompatible properties. They are characterized by the formation of a silicasubstitutedcarbonate hydroxyapatite (Si-HCA) a with crystallite size of around 50 nm andneedle-like morphology. The amino-modified PMMA-co-HPMA/SiO2 - APTES hybridnanospheres present enhanced biocompatible properties with prolonged release ability as drugdelivery systems in acidic as well as physiological pH. The synthesis and functionalization ofhybrid PMMA-co-HPMA / silicate nanospheres results in drug delivery systems for bonecancer targeting

Σήμερα η μελέτη των βιοϋλικών προσανατολίζεται σε δύο κατευθύνσεις, την ανάπτυξησυστημάτων μεταφοράς φαρμάκων και συστημάτων κατάλληλων να διεγείρουν κυτταρικέςλειτουργίες. Η έρευνά μας έχει σχέση με την συγκριτική μελέτη συστημάτων μεταφοράςφαρμάκων κατάλληλων για εφαρμογή σε οστικούς καρκίνους. Τέτοιου είδους συστήματα θαπρέπει να επιδεικνύουν δύο σημαντικές λειτουργικότητες, αρχικά να είναι ικανά μέσωφόρτισης ή επιφανειακής τροποποίησης να μεταφέρουν τα φαρμακευτικά μόρια στην περιοχήτου οστικού καρκίνου και στη συνέχεια να μπορούν να επάγουν οστεογένεση. Η δεύτερηλειτουργικότητα είναι ιδιαιτέρως σημαντική καθώς έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρωση τουοστικού ελλείμματος που προκαλείται από την δράση των καρκινικών κυττάρων. Ταβιοενεργά ξηρά πηκτώματα προσφέρουν ουσιαστικά πλεονεκτήματα λόγω της ικανότηταςτους να δημιουργούν ισχυρό δεσμό με τον περιβάλλοντα οστικό ιστό. Ωστόσο, συγκριτικά μετα μακροσκοπικά ξηρά πηκτώματα οι βιοενεργές νανόσφαιρες προσφέρουν σημαντικάπλεονεκτήματα λόγω των βελτιωμένων ιδιοτήτων τους στην μεταφορά φαρμάκων και τηςικανότητάς τους να καλύπτουν οστικές ελλείψεις ακανόνιστης γεωμετρίας (μεγέθους καισχήματος).Για τον σκοπό αυτό στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιλέχθηκαν χαρακτηριστικέςβιοενεργές υαλώδεις συστάσεις προκειμένου να μελετηθεί η μετατροπή τους σε νανοκλίμακακαι η περαιτέρω εφαρμογή τους σε συστήματα μεταφοράς φαρμάκων. Ιδιαίτερης σημασίας γιατην επιλογή των συστάσεων αποτέλεσε ο ρόλος του φωσφορικού περιβάλλοντος στηνδημιουργία δεσμού με το οστό. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε η ex vitro μελέτη τουπεριβάλλοντος φωσφόρου σε βιογυαλιά 45S5 μέσω φασματοσκοπίας 31P MAS NMR σεσυνδυασμό με 1H-31P CP MAS NMR. Τα φάσματα NMR πιστοποιούν ότι το περιβάλλον 31Pτων βιογυαλιών 45S5 και το επαγόμενο επιφανειακό στρώμα σε προσομοίωση φυσιολογικώνυγρών (simulated body fluid, SBF) αποτελούνται από μόρια νερού και ομάδες ΟΗ, τα οποίαπρωταρχικά σχετίζονται με ένα άμορφο επιφανειακό στρώμα φωσφορικού ασβεστίου καιδευτερευόντως με τα συστατικά φωσφορικού ασβεστίου (CaP) της υαλώδους δομής.Επιπλέον, η επιβεβαίωση της παρουσίας του άμορφου στρώματος CaP προήλθε από το εύροςστο ήμισυ της κορυφής, το οποίο είναι σημαντικά πιο ευρύ από το σήμα που παρουσιάζει ονανο-κρυσταλλικός υδροξυαπατίτης (hydroxyapatite, HA) και είναι χαρακτηριστικό τηςπαρουσίας άμορφης ορθοφωσφορικής φάσης. Ουσιαστικά οι πληροφορίες που λάβαμε έδειξαντην σημαντική συμμετοχή του φωσφορικού περιβάλλοντος από τα πρώτα στάδια σχηματισμούαπατίτη με επακόλουθο η παρουσία του να συνεισφέρει στην ανάπτυξη HA και την περαιτέρωοστεογένεση.Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η ικανότητα του υαλώδους δικτύου να μεταφέρει φαρμακευτικάμόρια μέσω παραδοσιακών συστημάτων μεταφοράς. Συνεπώς, ακολούθησε η ex vitro μελέτη pH-ευαίσθητων τροποποιημένων πυριτικών ξηρών πηκτών στα οποία είχε συνδεθεί τοαντικαρκινικό φάρμακο δοξορουπμυσίνη (doxorubicin, DOX). Συγκεκριμένα, πυριτικά ξηράπηκτώματα συντέθηκαν με την μέθοδο sol-gel και τροποποιήθηκαν περαιτέρω με χημείακαρβοδιϊμιδίου. Η τροποποίηση είχε σαν αποτέλεσμα την επιφανειακή σύνδεση υδροπηκτώνδεξτράνης που παρουσιάζουν ευαισθησία στο pH. Επιπλέον, το αντικαρκινικό φάρμακοδοξορουμπισίνη συνδέθηκε μετά από ένα δεύτερο στάδιο καρβοδιϊμιδικής σύζευξης.Αντικείμενο της μελέτης αποτέλεσε η βιοενεργότητα των τροποποιημένων ξηρών πηκτών, σεσυνδυασμό με την δυνατότητα αποδέσμευσης του φαρμακευτικού μορίου σε όξινο και σεουδέτερο pH. Σύμφωνα με την μελέτη σε SBF, σχηματισμοί απατίτη εμφανίσθηκαν μετά από7 ημέρες και είχαν μορφολογία νιφάδας. Επιπλέον, η αποδέσμευση της DOX σε όξινοπεριβάλλον μπορεί πιθανότατα να αποδοθεί στον σχηματισμό εστερικών δεσμών ευαίσθητωνσε αυτό το περιβάλλον. Συνεπώς, η επιφάνεια των παραπάνω ανόργανων συστημάτων μπορείνα τροποποιηθεί οργανικά με σκοπό την στόχευση στην θεραπεία του καρκίνου του οστούόπου απαιτείται η αποδέσμευση του φαρμάκου με την ταυτόχρονη αναγέννηση οστού.Αφού διερευνήθηκαν οι βέλτιστες ιδιότητες των παραδοσιακών συστημάτων μεταφοράςακολούθησε η σύνθεση των ανόργανων βιοενεργών νανοσφαιρών. Οι συστάσεις οι οποίεςμελετήθηκαν αποτελούνται από διμερή πυριτικά SiO2 - CaO, SiO2 - MgO, SiO2 - Na2O,τριμερή SiO2–CaO-Na2O, SiO2 - P2O5 - CaO, SiO2-P2O5-Na2O και τετραμερή SiO2-P2O5-CaONa2Oσυστήματα. Για την σύνθεση των υαλωδών νανοσφαιρών με εσωτερική κοιλότηταακολουθήθηκε η διαδικασία επικάλυψης sol-gel, κατά την οποία έγινε η ηλεκτροστατικήεπικάλυψη νανοσωματιδίων πολυστυρενίου με αποτέλεσμα την σύνθεση ανόργανωνπυριτικών και φωσφοπυριτικών νανοσφαιρών. Προκείμενου να διερευνηθεί η βέλτιστηδιαδικασία σύνθεσης, μελετήθηκαν διάφοροι παράμετροι επικάλυψης όπως η αναλογίαH2O:EtOH, η ποσότητα των πρόδρομων ενώσεων καθώς επίσης η ποσότητα τουυποστρώματος. Επιπλέον, μετά την επεξεργασία σε οργανικά διαλύματα παρατηρήθηκε 30 %απομάκρυνση του πυρήνα πολυστυρενίου (PS). Λόγω του ποσοστού PS που παρέμεινε,μελετήθηκε η εφαρμογή του συμπολυμερούς του πολυμεθακρυλικού μεθυλεστέρα –υδρομεθακρυλικού προπυλεστέρα (PMMA-co-HPMA) ως υποστρώματος καθώς το PMMAαποτελεί βασικό συστατικό των οστικών τσιμέντων και παρουσιάζει βελτιωμένες μηχανικέςιδιότητες. Η χρήση νανοσωματιδίων PMMA-co-HPMA είχε σαν αποτέλεσμα τον διαχωρισμόφάσης του TEOS ο οποίος συντελείται κυρίως στην διεπιφάνεια των νανοσωματιδίων PMMAco-HPMA.Μετά την διαδικασία επικάλυψης οι υβριδικές νανόσφαιρες εμφανίζουν μικρότερηδιάμετρο από τα αρχικά νανοσωματίδια PMMA-co-HPMA. Ακολούθησε η τροποποίηση τωνPMMA-co-HPMA/SiO2 νανοσφαιρών με σκοπό την βελτιστοποίηση της μορφολογίας και τηςλειτουργικότητας του πυριτικού δικτύου. Η μορφολογία καθορίζει την έκταση τηςδιεπιφάνειας μεταξύ του συστήματος μεταφοράς φαρμάκου και των προσομοιωμένωνφυσιολογικών υγρών με αποτέλεσμα να μπορεί να επηρεάσει την ικανότητα αποδέσμευσηςτου φαρμάκου. Για τον σκοπό αυτό, οι πυριτικές νανόσφαιρες τροποποιήθηκαν περαιτέρω με3-αμινοπροπυλ-τριαiθοξυ-εστέρα του πυριτικού οξέως (3-aminopropyltriethoxysilane,APTES).Προκειμένου να ολοκληρωθεί η συγκριτική μελέτη μας, ακολούθησε η ex vitro ανάλυση τωνπαραπάνω υβριδικών διμερών πυριτικών, τριμερών και τετραμερών φωσφοπυριτικών νανοσφαιρών καθώς επίσης των πυριτικών νανοσφαιρών PS και PMMA-co-HPMA. Ηεπώαση σε διάλυμα SBF οδήγησε στον σχηματισμό ανθρακικού πυριτικού υδροξυαπατίτη (SiHCA)με το μέγεθος των κρυσταλλιτών να μην υπερβαίνει τα 45 nm και η επιφανειακήμορφολογία να χαρακτηρίζεται από την έντονη παρουσία συσσωματωμάτων. Επιπλέον, οιυβριδικές νανόσφαιρες PS και PMMA-co-HPMA αποτελούν μια διακριτή περίπτωση όπουπυριτικές συστήματα μηδενικής περιεκτικότητας ασβεστίου εμφανίζουν βιοενεργές ιδιότητες.Χαρακτηρίζονται από τον σχηματισμό ανθρακικού πυριτικού υδροξυαπατίτη (Si-HCA) με τομέγεθος των κρυσταλλιτών να μην υπερβαίνει τα 50 nm και με βελονοειδή γεωμετρία.Βέλτιστες ιδιότητες βιοενεργότητας παρουσιάζουν οι τροποποιημένες με αμίνες υβριδικέςνανόσφαιρες PMMA-co-HPMA/SiO2 – APTES, οι οποίες έχουν επίσης την δυνατότητα ναχρησιμοποιηθούν ως μεταφορείς φαρμακευτικών μορίων σε όξινο καθώς επίσης και σεφυσιολογικό pH με παρατεταμένη δυνατότητα αποδέσμευσης. Η σύνθεση και τροποποίησητων υβριδικών πυριτικών νανοσφαιρών έχει σαν αποτέλεσμα σύγχρονα συστήματα κατάλληλαγια την μεταφορά φαρμακευτικών μορίων με στόχευση σε καρκίνο του οστού.