Χαρακτηρισμός νανοδομής λίθων του ουροποιητικού συστήματος και των οστών

Abstract

Optimal disease management requires - in addition to knowledge of the anatomy, pathophysiology and function of each tissue - an in depth knowledge of its structure . Urinary bones and stones are tissues of particular interest for different reasons. Knowledge of their nanostructure, as well as the study of their structure in nano level during mechanical loads, can provide important information for better treatment of diseases such as urolithiasis or osteoporosis.This PhD dissertation is divided into two sections: i) characterization of nanostructure of urinary stones; and ii) bone characterization by Small Angle X-ray Scattering. A biomechanical study was carried out in both modules to investigate structural changes of samples during mechanical loads.In the first section, thirty urinary stones were characterized with three commonly used characterization techniques followed by two "new" techniques for the characterization of calculis. Scanning electron microscopy, X-ray powder diffraction and infrared spectroscopy comprise the collection of classical techniques, while small angle X-ray scattering and nitrogen porosimetry are the "newer" techniques. There is an excellent correlation among the results obtained from the "common" techniques while the use of X-ray scattering method at small angles has helped identify uranium nanostructure parameters, such as the average thickness of the crystals, the size of the agglomerates, the fracturing frames and the size of the base particles. The mean pore size and volume as well as the specific surface were identified by Nitrogen Porosimetry. The average thickness of the crystals ranges between 2.2 and 28nm and the mean pore beam magnitude from 1.5 to 16.2nm.In the second section, a biomechanical study was carried out with a simultaneous characterization of the bone nanostructure. Rabbit ulna specimens treated with strontium salts as well as rabbit urine specimens comprising the two- and four-week control samples were analyzed by the Small Angle X-ray Scattering technique. The experiments carried out were on- site (in situ) compression, torsion and four-point bending experiments. In addition, mechanical hysteresis experiments were performed. The parameter analyzed is the average thickness of the bone hydroxyapatite crystals. The main results obtained from the analysis of the results are an increase in the average thickness of the hydroxyapatite crystals in the bone pituitary after four weeks and a reduction in the mean thickness accompanied with a simultaneous increase in pressure. An equally important result is the rearrangement of the crystals when flexing the samples.The results of the biomechanical studies that emerged in this PhD dissertation provide for the first time information on the nanostructure of the urinary stones and the change in the average thickness of the hydroxyapatite crystals during mechanical loading. The usefulness of the results lies either in the development of drugs for better disease management or in the development of materials with similar structures and similar mechanical behavior.

Η βέλτιστη διαχείριση των ασθενειών απαιτεί εκτός της γνώση της ανατομίας, της παθοφυσιολογίας και της λειτουργίας του εκάστοτε ιστού και την γνώση της δομής του σε βάθος. Τα οστά και οι λίθοι του ουροποιητικού αποτελούν ιστούς με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για διαφορετικούς λόγους. Η γνώση της νανοδομής τους αφενός και η μελέτη της νανοδομής κατά την διάρκεια μηχανικών φορτίσεων αφετέρου, δύναται να παρέχουν κρίσιμες πληροφορίες για την ορθότερη αντιμετώπιση ασθενειών όπως η ουρολιθίαση ή η οστεοπόρωση.Η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε δύο ενότητες οι οποίες είναι i) ο νανοχαρακτηρισμός των λίθων του ουροποιητικού και ii) ο νανοχαρακτηρισμός των οστών με τη μέθοδο της σκέδασης ακτίνων Χ σε μικρές γωνίες. Εμβιομηχανική μελέτη υλοποιήθηκε και στις δύο ενότητες με σκοπό την διερεύνηση αλλαγών της νανοδομής των δειγμάτων κατά την διάρκεια μηχανικών φορτίσεων.Στην πρώτη ενότητα χαρακτηρίστηκαν τριάντα λίθοι του ουροποιητικού με τρεις κοινές τεχνικές χαρακτηρισμού και δύο “νέες” τεχνικές για τον χαρακτηρισμό των ουρολίθων. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, η περίθλαση κόνεως ακτίνων – Χ και η φασματοσκοπία υπερύθρων αποτελούν την ομάδα των κλασσικών μεθόδων με την τεχνική της σκέδασης σε μικρές γωνίες και τη ποροσιμετρία αζώτου να αποτελούν τις “νέες” τεχνικές. Μεταξύ των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις διαδεδομένες τεχνικές υπάρχει εξαιρετική συσχέτιση, ενώ με τη χρήση της μεθόδου της σκέδασης ακτίνων – Χ σε μικρές γωνίες ταυτοποιήθηκαν παράμετροι της νανοδομής των ουρολίθων, όπως το μέσο πάχος των κρυστάλλων, το μέγεθος των συσσωματώσεων, οι μορφοκλασματικοί συντελεστές και το μέγεθος των βασικών σωματιδίων. Το μέσο μέγεθος και ο όγκος των πόρων, καθώς και η ειδική επιφάνεια ταυτοποιήθηκαν με τη τεχνική της ποροσιμετρίας αζώτου. Το μέσος πάχος των κρυστάλλων κυμαίνεται από 2,2 έως 28nm και το μέσο μέγεθος της ακτίνων των πόρων από 1,5 έως και 16,2nm.Στην δεύτερη ενότητα υλοποιήθηκε εμβιομηχανική μελέτη με ταυτόχρονο χαρακτηρισμό της νανοδομής των οστών. Δείγματα ωλένης κόνικλων στα οποία είχε χορηγηθεί φαρμακευτικό σκεύασμα αλάτων στροντίου και δείγματα ωλένης κόνικλων που αποτελούσαν τα δείγματα ελέγχου, δύο και τεσσάρων εβδομάδων, αναλύθηκαν με τη μέθοδο της σκέδασης των ακτίνων Χ σε μικρές γωνίες. Τα πειράματα που υλοποιήθηκαν, ήταν επί τόπου (in situ) πειράματα συμπίεσης, στρέψης και κάμψης τεσσάρων σημείων. Επιπλέον, διενεργήθηκαν πειράματα μηχανικής υστέρησης. Η παράμετρος που αναλύθηκε, είναι το μέσο πάχος των κρυστάλλων υδροξυαπατίτη των οστών. Τα κύρια αποτελέσματα που προέκυψαν από την ανάλυση των αποτελεσμάτων, είναι η αύξηση του μέσου πάχους των κρυστάλλων του υδροξυαπατίτη στην επίφυση των οστών μετά από τέσσερις εβδομάδες και η μείωση του μέσου πάχους με την ταυτόχρονη αύξηση της πίεσης. Ένα εξίσου σημαντικό αποτέλεσμα είναι η αναδιάταξη των κρυστάλλων κατά τον λυγισμό των δειγμάτων.Τα αποτελέσματα των εμβιομηχανικών μελετών που προέκυψαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή, παρέχουν για πρώτη φορά πληροφορίες για την νανοδομή των λίθων του ουροποιητικού και την αλλαγή του μέσου πάχους των κρυστάλλων υδροξυαπατίτη κατά την διάρκεια μηχανικών φορτίσεων. Η χρησιμότητα των αποτελεσμάτων έγκειται είτε στην ανάπτυξη νανοφαρμάκων για την ορθότερη διαχείριση των ασθενειών, είτε στην ανάπτυξη υλικών με παρόμοιες δομές και παρόμοια μηχανική συμπεριφορά.