Μελέτη υβριδικών συστημάτων πολυ(L- γαλακτικού οξέος) για την παρασκευή τρισδιάστατων πορώδων ικριωμάτων - Παπαγεωργίου, Παναγιώτα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών. Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμερών., 2014)
Σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη υβριδικών συστημάτων του πολυ(L-γαλακτικού οξέος) (PLLA) για την παρασκευή τρισδιάστατων πορωδών ικριωμάτων που θα επιτρέψει την επιτυχή χρήση τους στον τομέα της μηχανικής των ιστών. Συγκεκριμένα μέσω της τεχνικής διαλύματος παρασκευάσθηκαν σύνθετα βιοενεργού γυαλιού (BG)/PLLA, αλλά και μίγματα πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG)/PLLA. Κατόπιν πραγματοποιήθηκε η τεχνική της έκπλυσης άλατος με σκοπό τη δημιουργία πορώδους δομής στα παραπάνω υβριδικά συστήματα. Κατά την προηγούμενη δεκαετία το ενδιαφέρον των ερευνητών επικεντρώθηκε ιδιαίτερα στα βιοαποδομήσιμα και βιοσυμβατά πολυμερή, τόσο λόγω της δυνατότητας χρησιμοποίησης αυτών σε βιοϊατρικές εφαρμογές, όσο και λόγω των περιβαλλοντικών πλεονεκτημάτων τα οποία αυτά παρουσιάζουν. Ένα από τα πολυμερή που ανήκουν στην παραπάνω κατηγορία είναι το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA), το οποίο έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον κυρίως λόγω της προέλευσής του από ανανεώσιμες πηγές, της βιοαποικοδομησιμότητας και βιοσυμβατότητάς του, των ανώτερων θερμομηχανικών του ιδιοτήτων και της διαφάνειας που παρουσιάζει. Ωστόσο, το πολυμερές αυτό παρουσιάζει και ορισμένα μειονεκτήματα όπως η χαμηλή ανθεκτικότητα, ο χαμηλός ρυθμός αποδόμησης και η υδροφοβικότητα. Έναν από τους προτεινόμενους τρόπους τροποποίησης των ιδιοτήτων που συναντάται τελευταία στη βιβλιογραφία σε βιοϊατρικές εφαρμογές αποτελεί η ανάμιξη του PLA με ανόργανα μέσα ενίσχυσης, όπως για παράδειγμα με βιοενεργά γυαλιά. Η σύσταση του μέσου αυτού ενεργοποιεί μηχανισμούς που βελτιώνουν περαιτέρω τη βιοσυμβατότητα του πολυμερούς στο οποίο ενσωματώνονται. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρασκευάσθηκαν σύνθετα BG/PLLA με περιεκτικότητα σε BG 10, 20, 30 και 50% w/w, μίγματα PEG/PLLA με περιεκτικότητα σε PEG 20, 30 και 50% w/w, όπως και μίγμα BG/PEG/PLLA με περιεκτικότητα σε PEG 30% w/w και σε BG 30 phr. Για την παρασκευή των παραπάνω δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε η τεχνική διαλύματος, όπου εκτός από μηχανική ανάδευση, πραγματοποιήθηκε και κατεργασία με υπερήχους για περαιτέρω διασπορά του μέσου ενίσχυσης μέσα στην πολυμερική μήτρα. Για τη δημιουργία ικριωμάτων με τρισδιάστατη πορώδη δομή, δοκιμάστηκε η τεχνική της έκπλυσης άλατος σε δοκίμιο NaCl - BG/PLLA με περιεκτικότητα σε BG 30% w/w και σε NaCl 100 phr, όπως και σε δοκίμιο NaCl - PEG/PLLA με περιεκτικότητα σε PEG 30% w/w και σε NaCl 100 phr. Επιπλέον, εξετάσθηκε η απομάκρυνση του υδατοδιαλυτού πολυμερούς PEG από μίγμα PEG/PLLA. Ο χαρακτηρισμός των παραπάνω δοκιμίων πραγματοποιήθηκε αρχικά εξετάζοντας τη γωνία επαφής (CA) ως ένδειξη του υδρόφοβου ή υδρόφιλου χαρακτήρα, ενώ τα θερμικά τους χαρακτηριστικά μελετήθηκαν με τη χρήση διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC) και θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA). Ακολούθησε εκτίμηση των μηχανικών ιδιοτήτων με δοκιμή εφελκυσμού (tensile test) και με τη χρήση σκληρομέτρου μετρήθηκε η σκληρότητα κατά Shore D. Σε τελική φάση παρατηρήθηκε το πορώδες με τη χρήση οπτικού μικροσκοπίου. Τα αποτελέσματα της μελέτης της γωνίας επαφής έδειξαν ότι το PLLA αποτελεί ένα σχετικά υδρόφοβο υλικό και η ενσωμάτωση σε αυτό τόσο του βιοενεργού γυαλιού, όσο και της πολυαιθυλενογλυκόλης μειώνουν τη γωνία επαφής αυξάνοντας τον υδρόφιλο χαρακτήρα της επιφάνειας των δοκιμίων. Η μικρότερη γωνία επαφής καταγράφεται με την εισαγωγή βιοδραστικού γυαλιού στο μίγμα PEG/PLLA, προσδίδοντας καλύτερες υδρόφιλες ιδιότητες στο δοκίμιο. Η μέθοδος DSC έδειξε ότι το PLLA αποτελεί ένα ημικρυσταλλικό πολυμερές και η εισαγωγή βιοδραστικού γυαλιού δεν επηρεάζει το σημείο τήξης του PLLA, ωστόσο επιφέρει μείωση στο σημείο υαλώδους μετάπτωσης, ενώ σε συνδυασμό με τη θερμική καταπόνηση του πολυμερούς παρεμποδίζει τη διαδικασία ανακρυστάλλωσής του κατά την ψύξη που ακολουθεί μετά την πρώτη θέρμανση. Τα γραφήματα DSC για τα μίγματα PEG/PLLA παρουσίασαν δύο κορυφές, τόσο κατά τη θέρμανση όσο και κατά την ψύξη, μία που αντιστοιχεί στην PEG και η άλλη στο PLLA. Σημαντική είναι η παρατήρηση ότι κατά τη φάση της ψύξης παρατηρείται μείωση στις θερμοκρασίες κρυστάλλωσης και των δύο φάσεων, γεγονός που ερμηνεύεται από το ότι η παρουσία της μίας φάσης λειτουργεί παρεμποδιστικά στο μηχανισμό κρυστάλλωσης του άλλου πολυμερούς. Η ενσωμάτωση του βιοδραστικού γυαλιού στο μίγμα PEG/PLLA λειτούργησε για ακόμα μια φορά ανασταλτικά στην ανάπτυξη κρυσταλλικότητας των εξεταζομένων πολυμερών. Από τη θερμοβαρυμετρική ανάλυση, διαπιστώθηκε ότι η παρουσία βιοδραστικού γυαλιού οδηγεί σε μείωση της θερμοκρασίας έναρξης αποδόμησης και σε αύξηση του υπολείμματος. Το βιοδραστικό γυαλί λειτουργεί καταλυτικά στην τυχαία σχάση των πολυμερικών αλυσίδων με συνέπεια τη μείωση του μοριακού βάρους του πολυμερούς που το καθιστά λιγότερο σταθερό κατά τη θερμική αποδόμηση. Επίσης η ενσωμάτωση του βιοδραστικού γυαλιού σε μήτρα PEG/PLLA ενώ δε φαίνεται να επηρεάζει τη θερμική αποδόμηση της φάσης της PEG, επιφέρει σημαντική υποβάθμιση και μετατοπίζει τη θερμική αποδόμηση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες για τη φάση του PLLA ενεργοποιώντας και εδώ μηχανισμούς μείωσης του μοριακού βάρους του πολυμερούς. Τα αποτελέσματα της δοκιμής εφελκυσμού έδειξαν ότι το PLLA που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο διαλύματος αποτελεί ένα πλαστικό υλικό με μεγάλη παραμόρφωση. Η εισαγωγή βιοδραστικού γυαλιού καθιστά τα δοκίμια ψαθυρά με μικρές παραμορφώσεις, αυξάνει το μέτρο ελαστικότητας των συνθέτων σε σχέση με το καθαρό PLLA, οι τιμές του όμως μειώνονται με την αύξηση της περιεκτικότητας στο μέσο αυτό. Επίσης αύξηση παρουσιάζουν οι τάσεις στο όριο διαρροής και στη θραύση για περιεκτικότητες 10 και 20% w/w σε BG, ενώ για τις μεγαλύτερες περιεκτικότητες επέρχεται μείωση. Η ενσωμάτωση της PEG επιφέρει σημαντική μείωση της τάσης διαρροής, της τάσης θραύσης και του μέτρου ελαστικότητας. Επίσης με την αύξηση της περιεκτικότητας σε PEG μειώνεται και η παραμόρφωση των συνθέτων του PLLA στη θραύση. Τέλος από την εξέταση της μορφολογίας της επιφάνειας των συνθέτων με οπτικό μικροσκόπιο, παρατηρήθηκε εμφανής διαφορά ως προς τη μορφολογία μεταξύ της πάνω και της κάτω επιφάνειας των δοκιμίων, τα οποία παρασκευάστηκαν με τεχνική διαλύματος. Η πάνω ελεύθερη επιφάνεια παρουσιάζει φλυκταινώδη μορφολογία, λόγω της εξάτμισης του διαλύτη, ενώ η κάτω επιφάνεια είναι αρκετά λεία γεγονός που οφείλεται στην άμεση επαφή του πολυμερούς με τη μήτρα μορφοποίησης των μεμβρανών. Φαινόμενα εναπόθεσης λόγω βαρύτητας τόσο του άλατος για τα δοκίμια NaCl/PLLA, όπως και του βιοδραστικού γυαλιού για τα δείγματα NaCl – BG/PLLA επηρεάζουν τη μορφολογία της επιφάνειας αυτής. Όσον αφορά τη δημιουργία πορώδους, αυτή δεν είναι αισθητά εμφανής για τα δοκίμια, παρά μόνο για την κάτω επιφάνεια. Συγκεκριμένα μετά την εμβάπτιση παρατηρούνται λιγότερα εξογκώματα και δημιουργία επιφανειακών πόρων, ως αποτέλεσμα της έκπλυσης άλατος. Ωστόσο δεν παρατηρήθηκε η επιθυμητή τρισδιάστατη πορώδης δομή στο πολυμερές, η οποία εκτιμάται ότι θα επιτευχθεί με περαιτέρω έρευνα των συνθηκών απομάκρυνσης του πορογενούς μέσου.