Development of a new electrospinning setup for reinforced composite nanopolymer scaffolds for orthopedic applications

dc.contributor.advisorΔεληγιάννη, Δέσποινα
dc.contributor.authorΔουλγκέρογλου, Μελέτιος-Νικόλαος
dc.contributor.committeeΜαυρίλας, Δημοσθένης
dc.contributor.committeeΑθανασίου, Γεώργιος
dc.contributor.otherDoulgkeroglou, Meletios-Nikolaos
dc.date.accessioned2017-08-24T09:30:30Z
dc.date.available2017-08-24T09:30:30Z
dc.date.copyright2017-06-28
dc.degreeΜεταπτυχιακή Εργασίαel
dc.description.abstractDuring this thesis, we managed to install and establish a functional electrospinning unit in the Laboratory of Biomechanics and Biomedical Engineering in order to test polymers and substances that may be suitable for cellular scaffolds. More specifically, polycaprolactone (PCL) was used as the main polymer either dissolved in acetone or acetic acid 99%. The parameters that affect electrospinning were tested, such as concentration of polymer, distance between the collector and the needle etc and mixtures of polycaprolactone with chitosan and carbon nanotubes were electrospun successfully. For the qualitative evaluation of results, a scanning electron microscopy unit was used with which the architecture of the electrospun materials may be viewed and the diameter size of fibers can be calculated. Polycaprolactone electrospun samples along with samples that contained a blend of polycaprolactone with carbon nanaotubes, were mechanically tested. More specifically, tensile was applied in the specimens and the modulus of elasticity was estimated. Three methods were used for the estimation of the modulus of elasticity while statistical tests were performed in order to examine whether the different methods may be considered equivalent in a confidence level. The three methods contained the estimation of the modulus of elasticity by a regression line in the proportional limit of the specimens in the respective stress-strain curve, by the estimation of a tangent line in a specific point of the linear region and by the secant line that initiates from the start of axis and ends at the end of the linear region. Furthermore, since scaffolds may be considered two dimensional in the macrolevel, a novel method was implemented to create a porous three dimensional scaffold. A new type of a porous collector was designed and implemented based on the design of a commercial screen. Layers of polycaprolactone were electrospun and they were binded with a polymeric glue, leading to the creation of the three dimensional scaffold. The final part of this thesis, included cell cultures in selected materials. The main purpose was to evaluate proliferation and differentiation of the mesenchymal stem cells derived from umbilicar cord. The amount of total protein produced is an indicator of proliferation while the expression of the alkaline phosphatase is an indicator of differentiation of cells into osteoblasts. Cell cultures were observed during the third and seventh day while staining of cell nuclei was performed for visualization of their proliferation.el
dc.description.translatedabstractΗ ιστοτεχνολογία και η δημιουργία υλικών βιοσυμβατών με τον ανθρώπινο οργανισμό είναι ένας τομέας με εξαιρετικό επιστημονικό ενδιαφέρον και πληθώρα ερευνών ειδικά την τελευταία δεκαετία. Τα κύτταρα εντός του ανθρωπίνου σώματος στηρίζονται μέσω της εξωκυτταρικής μήτρας (extracellular matrix) ενώ παράλληλα διαφοροποιούνται και αναπαράγονται καθώς και προσανατολίζονται δια μέσου αυτής. Το ζητούμενο είναι η δημιουργία υλικών που θα προσομοιώνουν τη δομή και τις λειτουργίες της εξωκυτταρικής μήτρας. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, η εσωτερική δομή τους πρέπει να εκτείνεται στην κλίμακα του νανομέτρου, για αυτό και συχνά αναφέρονται ως νανοϊκριώματα. Η παραγωγή τους δύναται να πραγματοποιηθεί με διάφορες σύγχρονες και καινοτόμες μεθόδους μία εκ των οποίων είναι μέθοδος της ηλεκτροκλώσεως (ή ηλεκτροϊνοποίησης). Η μέθοδος της ηλεκτροκλώσεως είναι μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδος για την παραγωγή υλικών σε κλίμακα νανομέτρων, ενώ παράλληλα το κόστος υλοποίησης της δεν είναι απαγορευτικό. Μια τυπική διάταξη αποτελείται από το τροφοδοτικό υψηλής τάσεως, την αντλία που τροφοδοτεί το σύστημα και καταλήγει στη βελόνα παροχής καθώς και από το μεταλλικό συλλέκτη. Η δημιουργία του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ της βελόνας και του συλλέκτη αποτελεί την κινητήρια δύναμη για τη δημιουργία των ινωδών υλικών. Παρότι ο σχεδιασμός και η χρήση της διάταξης φαίνεται απλός, η φυσική που διέπει τη λειτουργία της και η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων, είτε χρήσης είτε των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν, χρήζει διερεύνησης και δοκιμών. Στην παρούσα διπλωματική, σχεδιάσθηκε εκ του μηδενός και εγκαταστάθηκε ο εξοπλισμός ηλεκτροκλώσεως στο εργαστήριο της Εμβιομηχανικής και Βιοϊατρικής Τεχνολογίας προκειμένου να μελετηθούν νανοδομές οι οποίες δύνανται να χρησιμοποιηθούν ως ικριώματα και να υποστηρίξουν την καλλιέργεια και την ανάπτυξη κυττάρων. Στο πρώτο τμήμα της διπλωματικής μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων της ηλεκτροκλώσεως όπως η απόσταση μεταξύ της βελόνας και του συλλέκτη, η επίδραση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, ο ρυθμός τροφοδοσίας του υλικού κα. Επιπροσθέτως, μελετήθηκε η ηλεκτρόκλωση υλικών όπως η πολυκαπρολακτόνη, η χιτοζάνη και οι νανοσωλήνες άνθρακα, διαλυμένα είτε σε οξικό οξύ , είτε σε ακετόνη. Οι παραγόμενες δομές υλικών εκτιμήθηκαν ποιοτικά και ποσοτικά, όσον αφορά στο μέγεθος των ινών τους, στο μέγεθος των πόρων τους και στην αρχιτεκτονική τους εν γένει. Η παρατήρηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε μέσω του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (scanning electron microscopy) το οποίο δύναται να απεικονίσει υλικά έως και σε βαθμό νανομέτρου. Επιπροσθέτως, σε υλικά όπως η πολυκαπρολακτόνη και η πολυκαπρολακτόνη εμπλουτισμένη με νανοδομές άνθρακα, πραγματοποιήθηκαν μηχανικά τεστ εφελκυσμού προκειμένου να εκτιμηθεί το μέτρο της ελαστικότητας τους, αλλά και να διαπιστωθεί κατά πόσον το μικρό ποσοστό (0.5% βάρος κατ’όγκον) νανοσωλήνων άνθρακα επηρεάζει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες. Το μέτρο ελαστικότητας εκτιμήθηκε με τρεις διαφορετικούς τρόπους ενώ παράλληλα διερευνήθηκε στατιστικά η επίδραση των διαφόρων τρόπων υπολογισμού στον προσδιορισμό του μέτρου ελαστικότητας. Δεδομένου πως το κύριο θέμα της διπλωματικής είναι η δημιουργία των βιοϋλικών, πραγματοποιήθηκαν κυτταρικές καλλιέργειες στα ηλεκτροϊνοποιημένα υλικά, όπου και εξετάσθηκε η δυνατότητα πολλαπλασιασμού και διαφοροποίησης των κυττάρων επί των υλικών. Τα κύτταρα που καλλιεργήθηκαν ήταν μεσεγχυματικά τα οποία λήφθηκαν από ομφάλιο λώρο, ευγενική χορηγία του Ιδρύματος Ιατροβιολογικών Ερευνών της Ακαδημίας Αθηνών. Προκειμένου να μελετηθεί ο πολλαπλασιασμός και η διαφοροποίηση των κυττάρων, υπολογίσθηκαν δείκτες όπως η ολική πρωτεΐνη (total protein) καθώς και η αλκαλική φωσφατάση (alkaline phosphatase) αντίστοιχα. Επιπροσθέτως, η βαφή του πυρήνα των κυττάρων με κατάλληλη χρωστική, επιτρέπει την παρατήρηση του πολλαπλασιασμού μέσω μικροσκοπίου και καθιστά αποτελεσματικότερη την απεικόνιση των. Συν τοις άλλοις, δεδομένου πως οι παραγόμενες δομές σε μακροεπίπεδο μπορούν να θεωρηθούν δισδιάστατες, σχεδιάσθηκε πλεγματικός πορώδης μεταλλικός συλλέκτης ο οποίος αντικατέστησε για τη συγκεκριμένη σειρά πειραμάτων το συμβατικό συλλέκτη. Λόγω της μορφολογίας του πλεγματικού συλλέκτη, καταστάθηκε δυνατή η δημιουργία λεπτών πορωδών στρωμάτων πολυκαπρολακτόνης, τα οποία κολλήθηκαν μεταξύ τους για τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου πορώδους ικριώματος. Τέλος, διατυπώθηκε μια σύντομη περιγραφή και παρουσιάσθηκε σχηματικά το κύκλωμα λειτουργίας του υπάρχοντος βιοαντιδραστήρα στο παράρτημα του κειμένου, εξοπλισμός που ανήκει στο εργαστήριο της Εμβιομηχανικής και Βιοϊατρικής μηχανικής. Ο βιοαντιδραστήρας αυτός με κατάλληλη τροποποίηση θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τη μηχανική καταπόνηση και τη σπορά κυττάρων στα ηλεκτροϊνοποιημένα υλικά. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν κατά την εκπόνηση του παρόντος θέματος είναι πως η πολυκαπρολακτόνη σε αναλογία 20% βάρους κατ’όγκον διαλυμένη σε οξικό οξύ 99%, με απόσταση μεταξύ συλλέκτη και βελόνας τροφοδοσίας 24 εκατοστών κι εντός πεδίου 24 kilovolts δημιουργεί ένα ομοιόμορφο δομικά υλικό με σχετικά ικανοποιητικό μέγεθος πόρων και με μέτρο ελαστικότητας που συνάδει με τα αποτελέσματα σχετικών ερευνών. Επιπροσθέτως, ενδιαφέροντα αποτελέσματα παρουσιάσθηκαν με την πρόσμιξη χιτοζάνης σε ποσοστό 1.25% βάρους κατ’όγκον στο διάλυμα πολυκαπρολακτόνης και οξικού οξέως, καθώς και στην πρόσμιξη νανοσωλήνων άνθρακα σε ποσοστό 0.5% βάρους κατ’όγκον στο διάλυμα πολυκαπρολακτόνης και οξικού οξέως. Επίσης, διαπιστώθηκε πως η παρουσία των νανοσωλήνων άνθρακα δεν επηρέασε τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού λόγω. Εκτιμήθηκε πως προκειμένου οι νανοσωλήνες άνθρακα να προσδώσουν τις απαραίτητες μηχανικές ιδιότητες, θα πρέπει να βρεθεί τρόπος να προσδεθούν χημικά ανά ίνα, διεσπαρμένοι ομοιογενώς σε όλη τη δομή του υλικού. Σχετικά με την κυτταρική ανάπτυξη, διαπιστώθηκε πολλαπλασιασμός και διαφοροποίηση των μεσεγχυματικών κυττάρων σε οστεοβλάστες στην πολυκαπρολακτόνη είτε διαλυμένη σε οξικό οξύ, είτε σε ακετόνη καθώς και στα δείγματα πολυκαπρολακτόνης/χιτοζάνης και πολυκαπρολακτόνης/νανοδομών άνθρακα. Τα δείγματα που περιείχαν χιτοζάνη περιείχαν τη μεγαλύτερη ποσότητα ολικής πρωτεΐνης, δείκτης μεγαλύτερου ρυθμού πολλαπλασιασμού. Ένα αποτέλεσμα που ερμηνεύεται λόγω της βιοσυμβατότητας της χιτοζάνης. Αναφορικά με τη δημιουργία του τρισδιάστατου πορώδους ικριώματος, επιτεύχθηκε η δημιουργία τέτοιου υλικού συνδέοντας με πολυμερική κόλλα 10 στρώσεις ηλεκτροϊνοποιημένης πολυκαπρολακτόνης. Όπως αναφέρθηκε και ανωτέρω, ο τομέας των βιοϋλικών και συγκεκριμένα τα νανοϊκριώματα είναι ένας τομέας ο οποίος ακόμα βρίσκεται υπό διερεύνηση και ανάπτυξη, επομένως η δυνατότητα του τμήματος της Εμβιομηχανικής και Βιοϊατρικής Τεχνολογίας να συνεισφέρει αλλά και να εξελίξει την παρούσα γνώση, το καθιστά ως ένα από τα επιστημονικά προηγμένα και επίκαιρα εργαστήρια σε ελληνικό και όχι μόνο επίπεδο. Ως εκ τούτου, με αφετηρία την παρούσα διπλωματική, θα μπορούσε το παρόν θέμα να διερευνηθεί από μελλοντικούς εκπονητές με σκοπό τη βελτίωση του εξοπλισμού με την προσθήκη επιπλέον μονάδων (πχ περιστροφικό συλλέκτη) ή να σχεδιασθεί αυτοματισμός και παρεμφερή συστήματα όσον αφορά στον έλεγχο του εξοπλισμού. Ακόμα, προκειμένου να αξιοποιηθεί ακόμα περισσότερο η τεχνογνωσία του εργαστηρίου, η τροποποίηση του εξοπλισμού ηλεκτροϊνοποιήσεως ώστε να παράξει δοκίμια τα οποία θα μπορούσαν να καταπονηθούν και να μελετηθούν εντός βιοαντιδραστήρα, αποτελεί μια πολύ ενδιαφέρουσα πρόταση για μελέτη και έρευνα. Ακόμα, θα μπορούσαν να δοκιμασθούν διάφορα άλλα υλικά και διαλύτες και να πραγματοποιηθούν μηχανικά τεστ σε αυτά. Ενδιαφέρον θα παρουσίαζε η ανάπτυξη κυτταρικής καλλιέργειας στο τρισδιάστατο ικρίωμα καθώς και η δημιουργία ενός πιο πυκνού συλλέκτη με μικρότερο μέγεθος οπών/ πόρων. Συμπερασματικά, με την κατάλληλη έρευνα και χρηματοδότηση, δύναται να επιτευχθεί ο δυσκολότερος και συνάμα απώτερος στόχος, η δημιουργία τέτοιων υλικών που θα μπορούν να εμφυτευθούν στο ανθρώπινο σώμα και να ανασυνθέσουν οστικό ιστό, αποκαθιστώντας τραυματισμούς και δυσλειτουργίες ή να αποτελέσουν μεταφορείς φαρμάκων.el
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10889/10532
dc.language.isogrel
dc.rights0el
dc.subjectElectrospinningel
dc.subjectScaffoldel
dc.subjectBiomedical nanometersel
dc.subject.alternativeΗλεκτοϊνοποίησηel
dc.subject.alternativeΙκρίωμαel
dc.subject.alternativeΝανόμετραel
dc.subject.ddc610.28el
dc.titleDevelopment of a new electrospinning setup for reinforced composite nanopolymer scaffolds for orthopedic applicationsel
dc.title.alternativeΑνάπτυξη μιας νέας διάταξης ηλεκτροϊνοποίησης για τη δημιουργία ενισχυμένων σύνθετων νανοπολυμερικών ικριωμάτων για ορθοπεδικές εφαρμογέςel
dc.typeThesisel

Files

Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
Nemertes_Doulgkeroglou(ele).pdf
Size:
9.61 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
License bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
license.txt
Size:
5.05 KB
Format:
Item-specific license agreed upon to submission
Description: