Σχεδιασμός και ανάπτυξη βιοϋλικών από υβριδικά σύνθετα με βάση το πολυ(γαλακτικό) οξύ

Abstract

This dissertation reports on the design, production and characterization of poly(lactic acid) hybrids targeted towards biomedical applications. Emphasis was placed upon the construction of three-dimensional, interconnected porous structures, to be used as scaffolds in Tissue Engineering. Two poly(lactic acid) grades, with different crystallinity, were examined, one with lower (PLA) and another with higher crystalline content (PLLA). In this study, the two different types were blended with poly(ethylene glycol) (PEG) and reinforced with bioactive additives, such as titanium dioxide (TiO2), hydroxyapatite (HA) and graphene oxide (GO). Polylactic acid and its blends were processed using a laboratory scale twin-screw extruder. The dissertation also focused on the study of the processing conditions, the structure and thermomechanical properties of the aforementioned systems, as well as of the mechanism and kinetics of crystallization of reinforced PLLA. Study of the ageing of PLLA and TiO2/PLLA nanocomposites under ultraviolet UV-irradiation was also carried out. Moreover, the antibacterial behavior against Escherichia coli (E. coli) bacteria of selected PLLA nanocomposites, was examined. For the preparation of PLA porous scaffolds a salt - leaching technique was applied. NaCl was combined with PEG, which is a water-soluble porogen, leading to the formation of a porous structure. The parameters whose the effect on the obtained porous structures was examined, were NaCl particle size, PEG’s molecular weight and their content ratios. Another technique used for fabrication of porous PLA structures, was foaming with supercritical CO2 (sc-CO2). After that, the effect of various sc-CO2 saturation pressures and depressurization rates on the properties of the final porous structures was examined. Initially, the modification of hydrophobic nature and biocompatibillity of the less crystalline grade PLA were examined, after addition of 10, 20, 30 kai 40 wt % of hydrophilic PEG. PEG/PLA blends could be molded in a lower temperature window than pure PLLA. During XRD analysis of PLA’s blends with 30 and 40 wt % PEG, new peaks were recorded, corresponding to crystalline structures. During the cooling cycle of DSC runs of these blends, a small crystallization peak appeared. During the second heating cycle, PEG caused the decrease of PLA’s glass transition and cold crystallization temperatures, while its melting behavior was not affected. The 10/90 w/w PEG/PLA blend was selected for the preparation of porous structures with the aforementioned porogens - leaching technique, as it could maintain its mechanical integrity under tensile testing and PLA’s hydrophobicity was effectively modified.Mixtures of PLLA with higher crystalline content, with 10, 20 and 30 wt % PEG were examined with XRD. Two peaks were observed, ascribed to the more stable α - crystalline polyform of PLLA with a left-handed 103 helical conformation packed in an orthorhombic unit cell and the slightly distorted and disordered α’-polyform of PLLA, which is characterized by a looser 103 helical packing and slightly larger unit cell dimensions. The addition of PEG led to a higher increase in PLLA’s thermal stability when compared to pure PLA, while its plasticizing effect resulted in a decrease in PLLA’s tensile strength and Young’s modulus. During non-isothermal crystallization experiments of PLLA with a cooling rate ranging from 2 to 10 °C/min, a crystallization peak was recorded when the cooling rate was kept under 10 °C/min. This peak was also present in all the prepared blends accompanied with an increase in PLLA’s crystallization temperature, with increasing PEG content and decreasing cooling rate. PLLA’s cold-crystallization peak disappeared during cooling with a rate of 2 °C/min. Crystallization halftime of PLLA decreased with increasing PEG content, for every cooling rate. In all the examined blends, the increase in PLLA’s phase melting temperature, with decreasing cooling rate, can be attributed to the improvement of PLLA’s crystalline organization. PEG’s phase was detectable in the blends containing 20 and 30 wt % PEG. PEG’s crystallization temperature decreased with increasing cooling rate in the blends and increased with increasing PEG content, without surpassing that of pure PEG. PEG’s crystallization rate increased with increasing cooling rate, but decreased with increasing PEG content. During the isothermal crystallization experiments at 110 °C, crystallization halftime of PLLA in the prepared blends decreased by ~ 90 %, in comparison with pure PLLA. After increasing the isothermal crystallization temperature from 115 to 120 °C, the aforementioned decrease was less intense. While isothermal crystallization of PLLA was feasible under the examined experimental conditions up to 120 °C, crystallization of PLLA in its blends with 20 and 30 wt % PEG had been accelerated to such an extend so as to make its analysis feasible at 125 °C. The effective energy barrier for PLLA’s crystallization increased with increasing PEG content in the blends, however without reaching that of pure PLLA. According to the Avrami analysis, crystallization of PLLA occurs in the form of spheres while, in the produced blends, crystallization occurs in disk formation. At 110 °C the recorded crystallization rate of PLLA with PEG was 1000 times faster than that of pure PLLA, while at 120 °C it was 3 times faster. PEG’s content ratio seems to affect the quality of PLLA’s crystals formed during isothermal crystallization to a greater extend, compared to the crystallization temperature. The 20/80 w/w PEG/PLLA blend was selected for the dispersion of GO nanosheets and the preparation of GO/PEG/PLLA hybrids due to PEG efficiently increasing PLLA’s hydrophilicity, facilitating its crystallization and improving its crystalline organization. Incorporation of 0.1, 0.2, 0.4 and 0.8 wt % GO in PLLA allows for the design of nanocomposites with tunable properties. DSC runs proved that GO facilitates the crystallization process of PLLA, since a crystallization peak appeared, during cooling and the cold-crystallization temperature decreased, during the heating cycle, with increasing GO content. During isothermal crystallization experiments of unreinforced PLLA and its composites with 0.4 wt % GO at 100 and 120 °C, a disk-form two-dimensional crystal growth was recorded, whilst at 125 and 130 °C, these composites presented a three-dimensional crystal growth. Crystallization rate of PLLA in the nanocomposites was increased up to 100 times at 100 and 110 °C. GO’s incorporation led to an increase in PLLA’s thermal stability and it was found that the formation of hydrogen bonds between GO and the polymer led to an increase in the tensile strength of the composites by ~10 to 26 % and in the Young’s modulus by ~3 to 8 %, with increasing GO content. GO nanocomposites have been recently proved to exhibit significant anti-microbial properties both, by trapping bacteria between GO’s aggregated graphene sheets and by inactivation of the bacteria when in contact with the sharp edges of its thin sheets. This behavior along with PLLA’s inherent hydrophobic nature account for the bacteriostatic behavior of GO/PLLA films, under dark conditions. Constant exposure of GO/PLLA films to UV-irradiation, increased their antibacterial activity, compared to dark conditions. As earlier studies have revealed, this can be attributed to the fact that the exposure of GO to UV irradiation can generate a photochemical reaction that is exhibited by active photocatalysts. This mechanism results in the generation of oxidative stress through elevated reactive oxygen species (ROS) levels. Inhibition of respiratory enzymes’ activity, ATP’s production and transport processes in the biological system, as well as damage of E. coli’s membrane integrity, lead ultimately to the death of bacteria cells. The antibacterial performance of GO/PLLA nanocomposites, under dark conditions, improved after pre-treatment of GO/PLLA nanocomposites with UV-irradiation.In order to improve GO’s dispersion in PLLA, but also to deploy the benefits of GO’s presence in this matrix, (0.5, 1 and 2 wt %), GO was combined with PEG in a common aqueous solution that was then homogenized using a supersonic probe. The dried and pulverized masterbatches were then incorporated in PLLA using a twin-screw extruder (0.1, 0.2 and 0.4 wt %), maintaining the ratio of PEG/PLLA at 20/80 w/w. The formation of hydrogen bonds was verified by the FTIR/ATR spectra. During the preparation of GO/PEG composites, exfoliation of GO occurred, thus leading to an increase in the number of defects in GO’s structure, as it was shown in the Raman spectra. Even at low content, GO acts as a nucleating agent, thus endorsing crystallization growth both in PLLA and PEG, by increasing their crystallization temperature and percent crystallinity. This was further verified by the increase of the intensity of a crystalline-dependent peak at 921 cm-1, with increasing GO content, in the FTIR/ATR spectra. During isothermal crystallization runs at 125 and 130 °C, it was found that GO decreased crystallization halftime of PLLA in the 0.4% GO/PEG/PLLA hybrid by ~85 %, compared to PLLA in the 20/80 w/w PEG/PLLA blend. This behavior was expected, given that, at the same temperatures, the presence of GO in the 0.4 % GO/PLLA composite, decreased PLLA’s crystallization halftime by ~15 %, compared to PLLA in the initial 20/80 w/w PEG/PLLA blend. While isothermal crystallization of PLLA in the 20/80 w/w PEG/PLLA blend was feasible under the experimental conditions up to 130 °C, PLLA’s crystallization in the 0.4 % GO/PEG/PLLA hybrid could be examined up to 140 °C. The Avrami analysis showed that the presence of GO in the PEG/PLLA blend transformed PLLA’s disk - form crystallization, to sphere - form crystallization and increased the crystallization rate 100 times. The incorporation of 5, 10 and 20 wt % TiO2 nanoparticles in PLLA aimed at transfusing TiO2 ’s biocompatibility and good mechanical properties to PLLA. The antibacterial behavior of UV-irradiated TiO2 renders it an ideal candidate for the design of biomaterials. The mechanism behind this behavior is based on the formation of electron-hole pairs that react with water and oxygen creating reactive oxygen species (ROS) that lead to oxidation stress and cell death. The presence of TiO2 facilitated PLLA’s crystallization contributing to a decrease in its cold-crystallization temperature by ~10 °C, a small increase in the crystallinity percentage (~4 %) and also an increase in melt temperature up to ~5 °C. The incorporation of 20 wt % TiO2 nanoparticles in PLLA improved its thermal stability by ~2.4 %, probably because they acted as barriers to heat and to transfer of volatile products during thermal degradation. The presence of TiO2 nanoparticles during isothermal crystallization of TiO2/PLLA composites at 100 and 110 °C, decreased PLLA’s crystallization halftime by 50 % for the highest examined TiO2 ratio (20 wt %). The effect of isothermal crystallization temperature on PLLA’s crystallization halftime could not be balanced by TiO2at 115 and 120 °C, leading to an increase by ~35%, compared to pure PLLA. The highest crystallization rate was achieved for a concentration of 20 wt % TiO2 in PLLA. TiO2/PLLA composites with 5 wt% TiO2 combine improved crystalline organization and thermal stability with increased tensile strength and Young’s modulus, in contrast to the non-reinforced matrix. PLLA composites with higher TiO2 content presented an improved Young’s modulus, but lower tensile strength. Τhe antibacterial behavior of TiO2/PLLA composite films was examined against E. coli bacteria. Under dark conditions, non-activated TiO2 nanoparticles suppressed the bacteria proliferation. UV-activation of TiO2 nanoparticles improved the bacteriostatic behavior of PLLA nanocomposites, which was further enhanced with increasing TiO2 content. Under constant UV-irradiation, the bacteria population significantly decreased. The antibacterial effect of PLLA nanocomposites with non-activated TiO2 nanoparticles seems to cease after 24 h of exposure to these conditions, probably due to the exhaustion of the bactericidal agent that is later regenerated. PLLA composites with UV-activated TiO2 nanoparticles presented the most adequate bactericidal action. In addition, the decrease in the bacteria population was observed faster in these samples, with increasing TiO2 content. Under constant UV-irradiation, the nanocomposites with 20 wt % TiO2 presented the most intense bactericidal action of all the examined samples. The effect of exposure of TiO2/PLLA nanocomposites to UV-irradiation either, for the activation of TiO2 or for modeling their behavior when exposed to sunlight, on PLLA’s properties and functionality, is a interesting field for further investigation. TiO2/PLLA nanocomposites with 10 wt % TiO2 were subjected to UV-aging experiments and the effect of exposure time on PLLA’s most crucial properties was further investigated. The breakage of ester linkages up to ~33 % in both, PLLA and its nanocomposite, was identified in the FTIR/ATR spectra, after 210 h of UV-light exposure. The increase in the intensity of the absorbance band of C=C with time indicates that photodegradation possibly follows the Norrish II mechanism. The amorphous part of pure PLLA increased with UV-exposure time, accompanied by an increase by ~50 % in the intensity of the α-form crystalline phase of the PLLA related peak. PLLA’s chains in the amorphous phase were easily degraded and the less organized crystals in PLLA were transformed into amorphous phase. This resulted in a higher melting temperature of the remaining resistant PLLA crystals by 5 °C. After exposure to UV-light, PLLA crystallized during the cooling cycle of DSC runs, probably due to its decreased molecular weight by ~15.4 %. The amorphous phase of PLLA in the nanocomposites was destroyed with UV-exposure time, resulting in the record of the α-form crystalline structures that are more resistant against UV-irradiation. Crystallization enthalpy of PLLA in the nanocomposites was ~10 times higher than that of pure PLLA. Onset and higher degradation rate temperatures of the modified matrix decreased by ~0.7 % after exposure to UV-light for 210 h, in comparison to a decrease of ~2.3 %, observed in pure PLLA. Tensile strength of pure PLLA decreased by ~32 %, whereas, in the case of the nanocomposites, by ~60 %, during UV-light exposure. Young’s modulus for both pure PLLA and PLLA in the nanocomposites increased with increasing UV-light exposure time probably due to the presence of more resistant crystals. This increase was higher for TiO2 nanocomposites because the presence of the inorganic reinforcing agent makes the polymer matrix more rigid. Hydroxyapatite (HA), adds bioactivity to PLLA, the ability, to allow the neighbouring tissues to spread on it and create bonds with the existing bone tissue, when used as an implant in tissue engineering, thus eliminating the possibility of rejection of the PLLA implant. The addition of HA nanoparticles in PLLA was beneficial for its crystallization during the cooling cycle and led to a decrease in cold-crystallization temperature and an increase in the melting temperature of the formed crystals. An increase up to 26 % in Young’s modulus of the nanocomposites with 20 wt % HA was also observed. The results of the isothermal crystallization study suggest that the highest crystallization rate is achieved at 100 °C, in comparison to 115 °C of pure PLLA, in the examined temperature region. HA nanoparticles accelerated PLLA’s crystallization at 100 and 110 °C, while at 115 and 120 °C this action was inhibited probably because it is near the melting temperature of PLLA. The polymorphism of crystalline structures of PLLA in the examined temperatures was not affected by the nanoparticles. In certain applications, such as in bioresorbable implants for orthopaedic support in sites that do not need to sustain high loads, it is preferable to aim for improved biocompatibility than high mechanical performance. This can be provided by higher HA content, that leads for example to the elimination of inflammatory response and stimulation of bone growth.Based on the results of the characterization of PLLA’s hybrids, the preparation of three - dimensional porous scaffolds suitable for applications in tissue engineering was examined. The examined techniques included (i) leaching of porogens and (ii) foaming with supercritical CO2 (sc-CO2). Both techniques, avoid the use of organic solvents, whose residue is toxic for cells. The preparation and characterization of porous structures was performed for the lowest crystallinity PLA alone or combined with 10 wt% PEG of different molecular weights (3,000, 6,000 and 10,000 g/mol). A salt leaching technique was applied using two grades of NaCl (200-300 μm and 400-500 μm) and various NaCl concentrations (40, 50, 60, 70, 80 wt %). After leaching of PLA with increasing NaCl content, NaCl granules’ entrapement in PLA was avoided and the mean pore diameter was increased by four times for the lower examined granulometry and by half for the higher one. Regarding the morphology of the porous structure, an interconnected pore network with no closed pores was created. In PLLA systems with smaller NaCl granulometry, pores with diameter ranging between 5 and 30 μm existed on the walls of bigger pores. The mean pore diameter increased by ~40 % with increasing NaCl granule diameter. With the incorporation of NaCl and PEG in PLA, a continuous structure in the polymer bulk was formed, resulting in the formation of interconnected channels between the pores during leaching. The formation of these routes facilitates the exchange of nutrients and metabolic waste between the cells, when used as scaffolds in tissue engineering. The addition of PEG resulted in hydration of the matrix, accelerated the leaching process and eliminated NaCl granules’ entrapement. Furthermore, when granulometry of NaCl ranged between 200 and 300 μm, PEG’s presence led to an increase in the pore diameter of the formed pores by three times, approaching that the size of the original NaCl granules, compared to when PEG was absent. According to the obtained results, the best pore structure was formed by combining the characteristics of increased NaCl granulometry and the addition of PEG. The optimum porous structure was obtained for the 60/10/30 w/w/w NaCl400-500/PEG6,000/PLA system. A homogenous structure with interconnected pores coexisting with pores ranging between 10 and 50 μm, was obtained. The roughness of the pore surface is expected to facilitate cell adhesion in applications such as scaffolds in tissue engineering. Dissolution of sc-CO2 was also examined for the preparation of PLA scaffolds. During gasification, sc-CO2 leads to the formation of empty spaces (pores) in the polymer bulk. During these experiments, the parameters of pressure (150, 200 and 300 bar) and depressurization rate (slow: 10 and instantaneous: 100 bar/min) of sc-CO2 were correlated with the form and the properties of the produced porous structure. When instantaneous depressurization of sc-CO2 was applied, the mean pore diameter ranged between 150 and 350 μm for 85-95 % porosity. Key factors for the formation of the three-dimensional porous structure of PLA were the abrupt temperature drop in the system and the immediate sample removal. During CO2 diffusion, PLA’s plasticization by the dissolved sc-CO2 led to the formation of pores with thin walls, that tended to coalesce, forming interconnecting channels with neighborhing pores. The formed porous structure, resembled the morphology of bones.When a slow depressurization rate of sc-CO2 was implemented, the mean pore diameter ranged between 50 and 150 μm for 70-80 % porosity. The stabilization of the pore structure took place below CO2’s critical point, after the temperature had been decreased. Therefore, most of CO2’s quantity had been eliminated by the polymer bulk and the high-pressure cell. The pore structures that were formed demonstrated a satisfying degree of organization and pores with thicker walls and narrow diameter size distribution, which are suitable for scaffolds in vitro applications of tissue engineering, such as in skin regeneration. As far as saturation pressure of sc-CO2 is concerned, it did not seem to affect the pore density of PLA in the structures that were obtained when a slow depressurization rate was applied. When instantaneous depressurization was applied, the increase in saturation pressure led to a decrease in the percentage of the porosity of scaffolds. For both depressurization rates it was concluded that pore diameter tended to increase from 150 to 200 bar and decrease at 300 bar. The effect of pressure on the scaffolds prepared with instantaneous depressurization, was examined with microcomputed tomography (μ-CT). For saturation pressures between 150 and 200 bar, pore structures were characterized by anisotropy and inhomogeneity, similar to spongeous bones. The prepared porous structures were subjected to compression testing experiments. Those that were prepared with instantaneous depressurization presented the ability to deform by ~50-70 %. The scaffolds that were prepared with slow depressurization rate presented brittle fracture. The majority of the scaffolds presented compression strength ranging between 1.5 and 7.5 MPa, in the range of spongeous bone (0.1-15 MPa). The scaffolds that were prepared with slow depressurization rate presented the highest values. The density of the scaffolds ranged between 70 and 325 Kg/m3, compared to that of the spongeous bone that ranges between 30 and 120 Kg/m3. The porous structure that was formed when CO2’s saturation pressure was 200 bar and instantaneous depressurization was applied, demonstrated compression modulus in the range of natural joint cartilage. The combination of its pore diameter (close to 340 μm), porosity (88 %) and pore interconnectivity, that were evaluated by μ-CT, make it suitable for fibroblasts (2,000 μm3) or osteoblasts (4,000 μm3) cultivation and for the support of their cell functions.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ο σχεδιασμός, η παρασκευή και ο χαρακτηρισμός υβριδικών συστημάτων με βάση το πολυ(L-γαλακτικό οξύ) για βιοϊατρικές εφαρμογές, με έμφαση στην κατασκευή τρισδιάστατης διασυνδεόμενης πορώδους δομής, για χρήση ως ικριώματα στη μηχανική ιστών. Πραγματοποιήθηκε τροποποίηση σε δύο τύπους πολυ(γαλακτικού οξέος) μικρότερης (PLA) και μεγαλύτερης κρυσταλλικότητας (PLLA), μέσω παρασκευής μιγμάτων τους με πολυ(αιθυλενογλυκόλη) (PEG), με στόχο τη βελτίωση της ικανότητας διαβροχής και της υδροφιλικότητας, καθώς και την αύξηση στο ρυθμό αποδόμησης του μίγματος που προκύπτει. Με βάση τα παραπάνω πολυμερή, παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν νανοσύνθετα με νανοσωματίδια υδροξυαπατίτη (ΗΑ) και διοξειδίου του τιτανίου (TiO2), καθώς και οξειδίου του γραφενίου (GO), με σκοπό τη βελτίωση λειτουργικών ιδιοτήτων σε βιοϊατρικές εφαρμογές όπως η βιοδραστικότητα και οι αντιμικροβιακές ιδιότητές τους. Η παρασκευή των μιγμάτων και των νανοσυνθέτων πραγματοποιήθηκε σε δικόχλιο σύστημα εκβολής εργαστηριακής κλίμακας. Μελετήθηκαν οι συνθήκες παρασκευής, η δομή και οι θερμομηχανικές ιδιότητες των συνθέτων που προέκυψαν, καθώς και o μηχανισμός και η κινητική κρυστάλλωσης του τροποποιημένου πολυ(γαλακτικού οξέος). Επιπλέον, έγινε μελέτη της γήρανσης του PLLA και των συνθέτων TiO2/PLLA, σε περιβάλλον υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας. Σε επιλεγμένα νανοσύνθετα του PLLA έγινε μελέτη της αντιμικροβιακής τους δράσης σε βακτήρια Escherichia coli (Ε. coli) στο σκοτάδι και σε περιβάλλον προσομοίωσης του ηλιακού φωτός, με και χωρίς προεπεξεργασία των δοκιμίων με UV-ακτινοβολία για τη φωτο-ενεργοποίησή τους. Ακολούθησε μελέτη της παρασκευής ικριωμάτων PLA με τη χρήση της τεχνικής έκπλυσης χλωριούχου νατρίου (NaCl) και έγινε συνδυασμός με τη χρήση PEG, ως υδατοδιαλυτό πορογενές μέσο. Εξετάστηκαν διάφορες κοκκομετρίες NaCl και διαφορετικά μοριακά βάρη της PEG, καθώς και αναλογίες τους, και συσχετίστηκαν με τη λαμβανόμενη πορώδη δομή. Eπίσης, για τη δημιουργία πορώδους δομής στα διάφορα συστήματα του PLA, έγινε χρήση της τεχνικής υπερκρίσιμου CO2 (sc-CO2), όπου εξετάστηκαν διαφορετικές συνθήκες πίεσης κορεσμού του sc-CO2 και ταχύτητας εκτόνωσης. Από τη μελέτη του μηχανισμού κρυστάλλωσης των συστημάτων PEG (10-40 % κ.β.), χαμηλής κρυσταλλικότητας πολυ(γαλακτικού οξέος), (PLA), με Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), βρέθηκε ότι η ενσωμάτωση της PEG διευκόλυνε την κρυστάλλωσή του με την εμφάνιση κρυστάλλωσης κατά την ψύξη, κάτι που δεν εμφανίζεται στο καθαρό πολυμερές, με τη μετατόπιση της ψυχρής κρυστάλλωσης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες κατά ~40 °C, έως εξαφάνισής της και με αύξηση του ποσοστού κρυσταλλικότητάς του έως ~20 %.Η ενσωμάτωση της PEG (10-40 % κ.β.) στο υψηλότερης κρυσταλλικότητας πολυ(γαλακτικό οξύ), (PLLA), οδήγησε στην καταγραφή της κορυφής στα κρυσταλλογραφήματα XRD, που αποδίδεται στην αριστερόστροφη ελικοειδή διαμόρφωση τύπου 103 της ορθορομβικής (ή ψευδοορθορομβικής) μοναδιαίας κυψελίδας του πολυ(γαλακτικού οξέος). Αντίστοιχα, στα θερμογραφήματα DSC εμφανίστηκε κορυφή κρυστάλλωσης, η οποία και ολοκληρώθηκε κατά τον κύκλο ψύξης και δεν εντοπίστηκε κορυφή ψυχρής κρυστάλλωσης, σε αντίθεση με το καθαρό PLLA. Επιπλέον, το ποσοστό κρυσταλλικότητάς του αυξήθηκε έως ~45 %. Κατά τη μελέτη της μη-ισοθερμοκρασιακής κρυστάλλωσης του PLLA για διαφορετικούς ρυθμούς ψύξης, το μίγμα 20/80 w/w PEG/PLLA επέδειξε τις υψηλότερες θερμοκρασίες κρυστάλλωσης σε κάθε εξεταζόμενο ρυθμό ψύξης, τις μεγαλύτερες τιμές της παραμέτρου πυρήνωσης n και τις μικρότερες του ρυθμού ανάπτυξης κρυστάλλων Κ, της εξίσωσης Avrami. Κατά τη μελέτη ισοθερμοκρασιακής του κρυστάλλωσης με DSC, το μίγμα αυτό επέδειξε τους μικρότερους χρόνους ημικρυστάλλωσης. Οι μετρήσεις της γωνίας επαφής των εξεταζομένων μιγμάτων επιβεβαίωσαν σημαντική βελτίωση της ικανότητας διαβροχής, με την αύξηση της παρουσίας της PEG, ενώ η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσμό μειώθηκαν. Η ενσωμάτωση 0.1-0.8 % κ.β. GO στο PLLA αποδείχθηκε ευεργετική για την αύξηση της θερμικής σταθερότητας του PLLA, όπως διαπιστώθηκε κατά τη θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA), πιθανότατα λόγω της δράσης των νανοφυλλιδίων GO ως ‘φράγματα’ στη μεταφορά θερμότητας και των πτητικών παραγώγων της καύσης, ενώ παράλληλα, αναβάθμισε έως και κατά ~25 % την αντοχή του σε εφελκυσμό. Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με την ανάπτυξη δεσμών υδρογόνου και χημικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ GO και PLLA, όπως επιβεβαιώθηκε με την φασματοκοπία FTIR/ATR. Από τη μελέτη της ισοθερμοκρασιακής κρυστάλλωσης των συνθέτων με DSC, διαπιστώθηκε η δράση του GO ως παράγοντα πυρήνωσης, αυξάνοντας το άνω θερμοκρασιακό όριο που μπορεί να πραγματοποιηθεί η μελέτη της κρυστάλλωσης του PLLA από τους 120 °C, για το καθαρό PLLA, στους 130 °C. Τη σημαντικότερη βακτηριοστατική συμπεριφορά εμφάνισαν τα σύνθετα υπό συνεχή έκθεση του GO στη UV ακτινοβολία, πιθανότατα ως αποτέλεσμα μίας φωτοχημικής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα στους ενεργούς φωτοκαταλύτες και οδηγεί στην απελευθέρωση αντιδρώντων οξυγονούχων ειδών (ROS, Reactive oxygen species) στην επιφάνεια των νανοφυλλιδίων άνθρακα, που προκαλούν λύση του κυτταρικού τοιχώματος των βακτηρίων. Η βακτηριοστατική συμπεριφορά των επιφανειών των νανοσυνθέτων που επετεύχθη στο σκοτάδι έχει αποδοθεί βιβλιογραφικά στην παγίδευση των βακτηρίων μεταξύ των φυλλιδίων του GO και την καταστροφή του τοιχώματός τους από τα αιχμηρά άκρα στην επιφάνεια των εξαιρετικά λεπτών φυλλιδίων του. Αποσκοπώντας στη βέλτιστη διασπορά των νανοφυλλιδίων του GO στη μήτρα PLLA και αποφεύγοντας τη χρήση οργανικών διαλυτών, των οποίων το υπόλειμμα θα ήταν επιβλαβές για τα κύτταρα σε βιοϊατρικές εφαρμογές, επιλέχθηκε η παρασκευή μητρικών μιγμάτων (masterbatches) GO/PEG με τεχνική υδατικού διαλύματος και η εν συνεχεία ενσωμάτωσή τους στο πολυμερές. Από τη μελέτη με φασματοσκοποία Raman των νανοσυνθέτων 0.5-2 % κ.β. GO/PEG διαπιστώθηκε ότι η κατεργασία αυτή επιφέρει αύξηση της αταξίας στη δομή του γραφενίου, καθώς αυξάνει ο λόγος των εντάσεων των χαρακτηριστικών ζωνών D (1350 cm-1) και G (1600 cm-1) στα φάσματα Raman (ID/IG). Στη συνέχεια, παρασκευάστηκαν νανοσύνθετα GO (0.1-0.4 % κ.β.) του μίγματος 20/80 w/w PEG/PLLA και με την τεχνική DSC διαπιστώθηκε η συνεργιστική δράση των GO και PEG στην κρυστάλλωση του PLLA. Συγκεκριμένα η κρυστάλλωση του PLLA λάμβανε χώρα σε κατά ~15 °C υψηλότερη θερμοκρασία, συγκριτικά με το μη ενισχυμένο μίγμα, και συνοδεύτηκε από αύξηση της θερμοκρασίας τήξης κατά ~5 °C και του ποσοστού κρυσταλλικότητας κατά ~5 %. Η συμπεριφορά αυτή επιβεβαιώνεται και με τη φασματοσκοπία FTIR/ATR, όπου στα φάσματα των νανοσυνθέτων εμφανίστηκε κορυφή στην περιοχή 921 cm-1, η οποία συνδέεται με την παρουσία α-κρυσταλλικής δομής του PLLA. Από τη μελέτη της ισοθερμοκρασιακής κρυστάλλωσης με DSC παρατηρήθηκε ότι μειώθηκε στο ~1/7 ο χρόνος ημικρυστάλλωσης του PLLA, σε σύγκριση με του μίγματος PEG/PLLA, και αυξήθηκε το άνω όριο της θερμοκρασίας που είναι εφικτό να μελετηθεί η κρυστάλλωση του PLLA από τους 130 °C, για τα σύνθετα GO/PLLA και για τα μίγματα PEG/PLLA, στους 140 °C για το σύστημα GO/PEG/PLLA.Από τη μελέτη με DSC των συνθέτων TiO2/PLLA διαπιστώθηκε ότι η κρυστάλλωση του PLLA, μεταβλήθηκε σταδιακά αυξανομένης της περιεκτικότητας σε νανοσωματίδια TiO2, από 5 σε 20 % κ.β., με τη θερμοκρασία ψυχρής του κρυστάλλωσής να μειώνεται, τη θερμοκρασία τήξης και το ποσοστό κρυσταλλικότητας του PLLA να αυξάνονται. Η θερμική σταθερότητα του συνθέτου με 20 % κ.β. TiO2 βελτιώθηκε, πιθανότατα λόγω της δράσης των νανοσωματιδίων TiO2 ως ‘φράγματα’ στη μεταφορά θερμότητας και των πτητικών παραγώγων της καύσης. Το νανοσύνθετο με 5 % κ.β. TiO2 εμφάνισε τις βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες κατά τη δοκιμή σε εφελκυσμό. Την καλύτερη βακτηριοκτόνο δράση εμφάνισαν τα σύνθετα με 20 % κ.β. ΤiO2 όταν είχε προηγηθεί ενεργοποίηση των νανοσωματιδίων TiO2 στο σκοτάδι και σε περιβάλλον UV-ακτινοβολίας. Εξετάσθηκε επίσης η γήρανση συνθέτων 10 % κ.β. TiO2/PLLA σε περιβάλλον UV-ακτινοβολίας, ώστε να προβλεφθεί η επίδραση που έχει στις ιδιότητές τους η έκθεση στην ακτινοβολία αυτή κατά τη φωτοενεργοποίηση του TiO2. Από τη μελέτη αυτή διαπιστώθηκε ότι το μοριακό βάρος του PLLA μειώθηκε κατά ~15 %, κάτι που συνοδεύτηκε από μείωση της περιοχής της καρβονυλομάδας και αύξηση της καρβοξυλομάδας, στα φάσματα FTIR/ATR. Πιθανότατα, η δράση του μηχανισμού Norrish ΙΙ για τη φωτοαποδόμηση του PLLA οδήγησε σε θραύση του εστερικού δεσμού στο PLLA και το σύνθετο, σε ποσοστό 33 %, έως τις 210 ώρες έκθεσης στη UV- ακτινοβολία. Η αύξηση του δείκτη κρυσταλλικότητας (CI) στα φάσματα αυτά συνοδεύτηκε από εμφάνιση κρυστάλλωσης και κατά την ψύξη σε όλα τα εξεταζόμενα δείγματα και ιδιαίτερα στην περίπτωση των νανοσυνθέτων. Επίσης, τα νανοσύνθετα εμφάνισαν μεγαλύτερη θερμική σταθερότητα σε σχέση με το μη ενισχυμένο PLLA. Σε αντίθεση με το καθαρό PLLA, και η προσθήκη των νανοσωματιδίων ΗΑ οδήγησε στην εμφάνιση κρυστάλλωσης κατά τον κύκλο ψύξης. Η θερμοκρασία ψυχρής κρυστάλλωσης του PLLA μειώθηκε και αυξήθηκε η θερμοκρασία τήξης του. Το μέτρο ελαστικότητας των νανοσυνθέτων αυξήθηκε έως και κατά ~26 % με 20 % κ.β. ΗΑ. Η μείωση της αντοχής σε εφελκυσμό των νανοσυνθέτων με περισσότερο από 5 % κ.β. ΗΑ, μπορεί να γίνει αποδεκτή σε εφαρμογές όπως τα βιοαπορροφήσιμα εμφυτεύματα σε περιοχές που δεν υφίστανται υψηλές φορτίσεις, αξιοποιώντας τη βελτιωμένη βιοσυμβατότητα που προσδίδει το έγκλεισμα αυτό. Το PLA που δεν έχει υψηλή κρυσταλλικότητα χρησιμοποιήθηκε στην παρασκευή ικριωμάτων καθώς διευκολύνει την εισχώρηση του νερού, κατά την έκπλυση των πορογενών μέσων και του υπερκρίσιμου CO2, κατά τη διόγκωση. Επίσης, ο ρυθμός αποδόμησής του δεν είναι τόσο αργός, ακολουθώντας το ρυθμό ανάπτυξης των ιστών στο ικρίωμα. Λόγω της αυξημένης υδροφιλικότητας, της διατήρησης των χαμηλών επιπέδων κρυσταλλικότητας, της μικρότερης υποβάθμισης της θερμικής σταθερότητας και της αντοχής σε εφελκυσμό, τα μίγματα PEG/PLA με 10 % κ.β. PEG κρίθηκαν κατάλληλα για τη χρήση τους στην παρασκευή ικριωμάτων με την τεχνική της έκπλυσης άλατος (NaCl). Με την αύξηση της κοκκομετρίας άλατος από 200-300 μm σε 400-500 μm επετεύχθη διασύνδεση των πόρων στα σύνθετα NaCl/PLA. Σε αυτό συνέβαλε και η αύξηση της περιεκτικότητας σε NaCl χαμηλής κοκκομετρίας, που οδήγησε και σε αύξηση της διαμέτρου των πόρων. Με την προσθήκη της PEG επιταχύνθηκε η έκπλυση των πορογενών συνοδευόμενη από μείωση της διαμέτρου των πόρων αυξανομένης της περιεκτικότητας σε NaCl. Η βέλτιστη πορώδης δομή ελήφθη με το συνδυασμό του μεγαλύτερης κοκκομετρίας NaCl, περιεκτικότητας σε άλας 60 % κ.β. (εξεταζόμενες περιεκτικότητες 40, 60 και 80 % κ.β.) και της PEG με μοριακό βάρος 6,000 g/mol (εξεταζόμενα μοριακά βάρη 3,000, 6,000 και 10,000 g/mol). Για την παρασκευή ικριωμάτων PLA, εξετάστηκε επίσης η τεχνική διάλυσης στο πολυμερές διοξειδίου του άνθρακα σε κατάσταση υπερκρίσιμου ρευστού (sc-CO2), το οποίο κατά την εφαρμογή συνθηκών αεριοποίησής του, οδηγεί στη δημιουργία κενών χώρων - πόρων στην πολυμερική μάζα. Όταν εφαρμόστηκε ακαριαία εκτόνωση του sc-CO2 (100 bar/min), δημιουργήθηκαν πόροι με λεπτά τοιχώματα κατά το στάδιο της διάχυσης του CO2, οι οποίοι έτειναν να σπάσουν και να συνενωθούν, δημιουργώντας κανάλια επικοινωνίας με τους γειτονικούς πόρους. Η ανισοτροπία και ανομοιογένεια στις πορώδεις αυτές δομές, που είναι παρεμφερής με αυτή των σπογγωδών οστών, λόγω της επίδρασης της πίεσης, επιβεβαιώθηκε και από πειράματα με μικροϋπολογιστική τομογραφία (μ-CT). Με πίεση κορεσμού CO2 στα 200 bar και ακαριαία εκτόνωση, το μέτρο συμπιεστότητας των πορωδών δομών κυμαινόταν στο εύρος τιμών του φυσικού χόνδρου στις αρθρώσεις. Όταν επιβλήθηκε αργός ρυθμός εκτόνωσης του sc-CO2 (10 bar/min), η σταθεροποίηση της πορώδους δομής γινόταν μετά το κρίσιμο σημείο του CO2 όπου η θερμοκρασία του είχε μειωθεί και η περισσότερη ποσότητά του είχε απομακρυνθεί από την πολυμερική μάζα και το θάλαμο υψηλής πίεσης. Οι πορώδεις δομές που προέκυψαν εμφάνισαν μεγάλο βαθμό οργάνωσης και πόρους με τοιχώματα μεγαλύτερου πάχους και με στενό εύρος κατανομής της διαμέτρου τους, κατάλληλο για ικριώματα σε in vitro εφαρμογές της ιστομηχανικής, όπως στην ανάπλαση δέρματος. Συνοψίζοντας, από τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής βρέθηκε ότι η αναλογία 20% κ.β. σε PEG πλαστικοποιεί, βελτιώνει την υδροφιλικότητα και την ικανότητα κρυστάλλωσης του PLLA και χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για την ενσωμάτωση οξειδίου του γραφενίου σε αυτό. H ενσωμάτωση 10 % κ.β. σε PEG ενυδατώνει, βελτιώνει τη βιοσυμβατότητα και την επεξεργασιμότητα του PLA και εφαρμόστηκε στην παρασκευή ικριωμάτων με την τεχνική έκπλυσης σε συνδυασμό με άλας NaCl. Αυξημένη και ελεγχόμενη ικανότητα κρυστάλλωσης παρουσίασε το PLA στα νανοσύνθετά του με γραφένιο, ΤiO2 και ΗΑ. Τα νανοσύνθετα με τα βιοδραστικά αυτά μέσα θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως στην κατασκευή ικριωμάτων του πολυ(γαλακτικού οξέος) με τις τεχνικές έκπλυσης άλατος ή με χρήση sc-CO2 που μελετήθηκαν και αριστοποιήθηκαν στη διατριβή αυτή.