Thanks to recent advances in science and engineering, the field of biomaterials stands poised to increase the effectiveness and longevity of established devices as well as to provide new options to biomedical engineers who work at designing future products. From its beginning, the field of bioengineering has focused on providing the best artificial devices - hearing aids, artificial limbs and other prostheses - to replace body parts that are missing, broken, or dysfunctional. Regeneration of body parts requires a biomaterial with a structure, components and chemical signals that allow the body ’s tissue cells to recognize, respond to, and remodel the material without rejecting it as foreign. Bone, cartilage and the major load bearing joints of the body all suffer degenerative changes with age and trauma. This area of research focus will seek solutions to the problems of osteoporosis, the fixation of implants in bone and the replacement of damaged bone and cartilage. This will be achieved through the development of non-metallic biomaterials and resorbable biomaterials that provide appropriate load bearing characteristics and the potential to interact suitably with the biology. The non-metallic materials for bone substitutes serve as scaffolds and may have modified surfaces to encourage natural tissue growth or the ability to be seeded with the hosts own cells before implantation. This will have applications for both bone and cartilage substitute materials. These bone substitutes biomaterials are the second-most implanted of all materials. Resorbable biomaterials, on the other hand, gradually disappear from the body as a result of hydrolysis, because are made from molecules similar to those in the human body, which resorb while the tissue is healing. This eliminates the need for a second surgery. The goal of this thesis is to explain the usefulness of these biomaterials in medical applications and especially in orthopaedics, focusing on the latest acquisitions. The first chapter makes an introduction in biomaterials, with emphasis on orthopaedic biomaterials. The second chapter contains information about: (1) the bone characteristics (anatomy and mechanics), in order to understand the basis for tissue engineered therapies and how damaged bones heal, (2) the non-metallic biomaterials (polymers, biodegradable polymers, ceramics and composites) for bone substitutes, giving examples of modern biomaterials used today and (3) the principles involved in the Modern Cementing Technique. The third chapter is a review of the chemistry of the polymers used in bioresorbable biomaterials, including synthesis and degradation, describe how properties can be controlled by proper synthetic controls such as copolymer composition, highlight special requirements for processing and handling, and presents in detail some of the commercial resorbable biomaterials. / Αυτή η διατριβή εξηγεί τη χρησιμότητα των μη μεταλλικών βιο-υλικών για τα υποκατάστατα οστών και των βιο-απορροφημένων βιο-υλικών στις ιατρικές εφαρμογές και ειδικά στις ορθοπεδικές, που εστιάζουν στις πιό πρόσφατες αποκτήσεις.

Η υπολογιστική ανακατασκευή πορωδών υλικών και η προσομοίωση των φαινομένων μεταφοράς και των φυσικο-χημικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό τους είναι πολύτιμο εργαλείο για το σχεδιασμό νέων εφαρμογών ρόφησης ή διαχωρισμού μιγμάτων, όπως είναι η απομάκρυνση συστατικών με μεμβράνες βιο-αντιδραστήρων. Διάφορες ενδιαφέρουσες τεχνικές έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα για την τρισδιάστατη ανακατασκευή πορωδών μέσων, είτε με σειριακή τομογραφία είτε με στοχαστικές τεχνικές, χρησιμοποιώντας μικρό αριθμό φυσικών τομών. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι τεχνικές της βαλλιστικής εναπόθεσης, της στοχαστικής κατανομής Monte Carlo, και της Monte Carlo με σκληρό πυρήνα. Τόσο ο καθορισμός των ιδιοτήτων της μεμβράνης, όσο και η βελτιστοποίηση της μεμβράνης ανάλογα με την εφαρμογή της στη βιομηχανία καθιστούν την υπολογιστική αποτύπωση της εσωτερικής δομής των πορωδών μέσων εξαιρετικά χρήσιμη. Επιπλέον, τα συμπεράσματα που εξάγονται βρίθουν εφαρμογών, όπως η υδρόλυση της λακτόζης. Οι μεμβράνες οι οποίες μελετώνται χαρακτηρίζονται ως υβριδικές δύο στρωμάτων, ενώ στο εσωτερικό τους εσωκλείουν ακινητοποιημένα ένζυμα β-γαλακτοσιδάσης. Κατά τη θεωρητική ανάλυση των φυσικο-χημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό της μεμβράνης, ανέκυψαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα ως προς την αποδοτικότητα της μεμβράνης καθώς πραγματοποιήθηκε ποσοτική ανάλυση για αρκετές παραμέτρους του προβλήματος. Χρησιμοποιήθηκαν τιμές για τις αποτελεσματικές ιδιότητες μεταφοράς της μεμβράνης όπως προέκυψαν από την επίλυση των αντίστοιχων προβλημάτων μεταφοράς στις ανακατασκευασμένες δομές, και βρέθηκε σημαντική επίπτωση των τιμών αυτών στη λειτουργία της μεμβράνης. Οι υβριδικές (ασύμμετρες) μεμβράνες τέτοιου τύπου βιο-αντιδραστήρων έχουν αυξημένο επιστημονικό ενδιαφέρον χάρη στην ποικιλία των βιομηχανικών τους εφαρμογών. Έτσι, η διαδικασία της ανακατασκευής και της φυσικο-χημικής ανάλυσης του προβλήματος μπορεί να εφαρμοστεί και σε πιο περίπλοκες διατάξεις μεμβρανών, όπως αυτών που χρησιμοποιούνται στο πεδίο της αιμοκάθαρσης, φιλτράρουν και αποσύροντας μέσω ρόφησης την κρεατίνη από το αίμα. / The computational reconstruction of porous media and the simulation of transport phe-nomena and physicochemical processes that take place at their interior are valuable meth-ods for designing new applications related to sorption mechanisms or separation of mix-tures, such as the removal of specific substances with bioreactor membrane systems. Several quite interesting techniques have been evolved for the three dimensional reconstruction of porous media, either by using stochastic methods or by serial tomography. In the present thesis the Ballistic deposition method, the Monte Carlo stochastic distribution and the stochastic Monte Carlo with impermeable cores, also known as the “cherry pit” model, are investigated. The estimation of the membrane properties, as well as the membrane optimization depending on its industrial application, turns the porous structure representation into a substantial element of the process. Furthermore, the conclusions that are drawn are utilized in various applications, such as the hydrolysis of lactose, for instance. The membranes that are examined here are characterized as two-layered hybrid membranes, which host immobilized enzymes of beta-galactosidase in their interior. During the theoretical analysis of physical and chemical phenomena that take place inside the membrane, quite interesting results were derived concerning the effectiveness of the membrane, while a quantitative analysis was performed for the majority of the system parameters. Moreover, the effective transport properties of the membrane were calculated by solving the pertinent mass transport problems in the reconstructed media and found to have an important influence on the membrane operation. Finally, this kind of hybrid (asymmetric) bioreactor membranes has an increasing scientific interest thanks to their increasing potential applicability in modern industrial practice. Therefore, the reconstruction procedure and the physical and chemical analysis of the problem can be applied to more complicated membrane devices, such as those used in blood purification, where membrane devices filtrate the blood and remove its creatinine through sorption.

Περίπου το 60-70 % της οστεϊκής μάζας αποτελείται από ανόργανα μεταλλικά άλατα και το υπόλοιπο είναι οργανικό υπόστρωμα και νερό. Το κύριο ανόργανο συστατικό είναι ένα μη-στοιχειομετρικό ανάλογο του υδροξυαπατίτη, Ca10(PO4)6(OH)2, (BioHAp) o οποίος απαντάται στην φύση και η οργανική φάση είναι κυρίως (90%) κολλαγόνο τύπου I (COL) ενώ το υπόλοιπο 10 % απαρτίζεται από μια ποικιλία ενώσεων όπως γλυκοπρωτεΐνες, λιπίδια και ένζυμα. Η μελέτη των οστών ως προς της χημική τους σύσταση μπορεί να δώσει χρήσιμα στοιχεία σχετικά με τις ασθένειες των οστών όπως οστεοπόρωση, οστεοπέτρωση, οστεομαλακία, κλπ. αλλά και να βοηθήσει στην αξιόπιστη διάγνωσή τους. Παραδοσιακές αναλυτικές τεχνικές έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση της χημικής σύστασης των οστών, όπως είναι η ηλεκτρονική μικροσκοπία, η περιθλασιμετρία ακτίνων Χ αλλά και η κλασική χημική ανάλυση. Η χρήση αυτών των τεχνικών έχει αποδειχτεί χρονοβόρα, δύσχρηστη και επιπλέον τις περισσότερες φορές είναι καταστρεπτικές για το δείγμα. Η ιδανική αναλυτική τεχνική θα ήταν αυτή που θα απαιτούσε την ελάχιστη προετοιμασία των δειγμάτων χωρίς να υπάρχουν απώλειες στην ποιότητα των πληροφοριών που συλλέγονται από αυτή. Γι’ αυτούς τους λόγους, η φασματοσκοπία Raman θεωρείται ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για τη «χαρτογράφηση» και μελέτη της χημικής σύστασης των οστών. Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε αν η φασματοσκοπία Raman, μια μη καταστροφική δονητική τεχνική με δυνατότητα για σημείο-προς-σημείο ανάλυση ενός υλικού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αυτό το σκοπό. Από κνημιαία βοοειδή οστά λήφθηκαν φάσματα Raman από το συμπαγές (cortical) και από το σπογγώδες (trabecular) τμήμα του οστού. Για τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν οι χαρακτηριστικές Raman ενεργές δονήσεις στα 960 cm-1 (ν1 PO4 3-) και 2939 cm-1 ν(CH2) για το βιοαπατίτη (BioHAp) και το κολλαγόνο (Col), αντίστοιχα. Τα φάσματα από το συμπαγές και το σπογγώδες τμήμα δεν ήταν άμεσα συγκρίσιμα λόγω της ισχυρής παρουσίας φωσφολιπιδίων και άλλων ουσιών του μυελού των οστών οι οποίες βρίσκονταν στο δικτυωτό τμήμα του οστού. Αναπτύχθηκε πρωτόκολλο απομάκρυνσής τους χωρίς να αλλοιωθεί χημικά το κολλάγονο ή ο βιο-απατίτης, το οποίο διαπιστώθηκε με τηνανάπτυξη πρωτοκόλλων απομόνωσης του βιο-απατίτη και του κολλαγόνου αντίστοιχα. Μετά τον καθαρισμό, λήφθηκε ξανά το φάσμα Raman και χρησιμοποιώντας τους λόγους των δονήσεων BioHAp/Col βρέθηκε ότι ο βιο-απατίτης ήταν περισσότερος στο συμπαγές τμήμα από ότι στο σπογγώδες σε σχέση με το κολλαγόνο. Για την επιβεβαίωση των παραπάνω αποτελεσμάτων μετρήθηκε το ασβέστιο και τα φωσφορικά στα ίδια δείγματα χρησιμοποιώντας τη φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης με χρήση της μεθόδου των σταθερών προσθηκών και τη φασματοφωτομετρία υπεριώδους-ορατού, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα από τις δύο παραπάνω τεχνικές επιβεβαίωσαν ότι το ποσοστό βιο-απατίτη στα συμπαγή οστά είναι μεγαλύτερο σε σχέση με τα σπογγώδη. / Bone is a composite formed by the mineralization of an organic matrix (largely collagen) by the nucleation and growth of a mineral highly resembling calcium hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2, (BioHAp) within the matrix. Seventy percent of mature bone is consisted of the inorganic phase while the organic matrix and water accomplish the rest. The organic phase is predominantly (90%) composed of collagen type I (Col) while a range of other substances such as glycosaminoglycans, glycoproteins, lipids, peptides and enzymes, contribute only to the remaining 10%. Knowledge of the BioHap/Col ratio can permit reliable diagnosis of bone diseases such as osteoporosis, osteopetrosis and osteomalacia. Traditional tools used in assessing the chemical composition of bone include electron microscopy, X-ray diffraction and wet chemical analysis. Usage of such techniques has been proved time-consuming and cumbersome. Furthermore, during the application of these techniques the tissue is exposed to stresses that alter its structure and/or composition. The ideal analytical tool would be one in which minimal tissue preparation is required, whilst allowing no loss of the amount and quality of information derived from the technique. For these reasons the technique of Fourier transform Raman spectroscopy was utilized. In this work Raman spectroscopy, a nondestructive vibrational technique, which permits point-by-point analysis (“mapping”) of a specimen, was applied as a tool for bone chemical analysis. Raman spectra of the cortical and trabecular part of shinbones were recorded. The characteristic Raman vibrations at 960 (v1 PO4 3-) and 2939 cm-1 v(CH2) for BioHAp and collagen, respectively, were used. In order to avoid overlapping of the Raman bands before recording the spectra a sequestration protocol for cleaning the bones from the lipids and the other substances of bone marrow was developed and applied. In order to testify it, two more protocols of isolation bio-apatite and collagen were developed and applied respectively. It was found that the ratio of the Raman intensities BioHAp/Col for the trabecular bone to be lower than the cortical one. For verification purposes the concentrations of calcium and phosphates in the same samples were determined using atomic absorption spectroscopy and the UV-Vis spectroscopy, respectively. It was found that indeed the percentage of bio-apatite in cortical bones is larger than in the trabecular bones.

Το Εθνικό Θαλάσσιο Πάρκο Ζακύνθου περιλαμβάνει τη θαλάσσια έκταση και τις νησίδες του Κόλπου του Λαγανά, τις παραλίες ωοτοκίας της θαλάσσιας χελώνας Caretta caretta (Γέρακας, Δάφνη, Σεκάνια, Καλαμάκι, Ανατολικός Λαγανάς και Μαραθονήσι) και μια ζώνη γης, που περιβάλλει αυτές, τον υγρότοπο της Λίμνης Κερίου και τις Νήσους Στροφάδες. Ιδρύθηκε με κύριο σκοπό τη διατήρηση και την προστασία των σημαντικότερων παραλιών ωοτοκίας στη Μεσόγειο της θαλάσσιας χελώνας Caretta caretta και του θαλάσσιου και χερσαίου χώρου που τις περιβάλλει. Η συνολική έκταση της χερσαίας περιοχής του Ε.Θ.Π.Ζ. είναι περίπου 45km². Η περιοχή μελέτης περιλαμβάνει το σύνολο σχεδόν της χερσαίας έκτασής του (εκτός από τις νήσους Στροφάδες), μέρος της οποίας συγκαταλέγεται στο έργο οικοτόπων, Φύση 2000, στην Ελλάδα (Κωδικός Περιοχής: GR 2210002). Η χλωρίδα της χερσαίας περιοχής του Εθνικού Θαλάσσιου Πάρκου Ζακύνθου είχε μελετηθεί κατά το παρελθόν στα πλαίσια της Ειδικής Περιβαλλοντικής Μελέτης για τον κόλπο του Λαγανά (ΥΠΕΧΩΔΕ, 1997), όπου καταγράφηκαν 173 taxa. Επιπροσθέτως, έρευνες που αφορούν στη καταγραφή της χλωρίδας της Ζακύνθου και αναφέρονται λιγότερο ή περισσότερο και σε περιοχές που απαρτίζουν το Ε.Θ.Π.Ζ αποτελούν οι εργασίες των Margot & Reuter (1839 & 1841), Bornmüller (1928) και Ronniger (1941), στις οποίες αναφέρονται 150 φυτικά taxa. Εφόσον, τα τελευταία χρόνια, δεν υπάρχει μια ολοκληρωμένη εργασία, θεωρήθηκε σκόπιμη η πλήρης καταγραφή της χλωρίδας της συγκεκριμένης προστατευόμενης περιοχής με τη συλλογή φυτικών δειγμάτων από κάθε τύπο οικοτόπου. Επιπρόσθετα, ολόκληρη η Ζάκυνθος χαρακτηρίζεται από πλούσια χλωρίδα και βλάστηση, ενώ χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι απαντώνται σε αυτήν 34 ελληνικά ενδημικά φυτικά taxa, εκ των οποίων τα τέσσερα (Asperula naufraga, Limonium phitosianum, Limonium zacynthium και Micromeria browiczii) αποτελούν αποκλειστικά ενδημικά taxa της νήσου. Έτσι, θεωρήθηκε χρήσιμη η βίο-παρακολούθηση αυτών των taxa, προκειμένου να αξιολογήσουμε την κατάσταση διατήρησής τους με τη χρήση των νέων κριτηρίων της IUCN (2012). Η βίο-παρακολούθηση πραγματοποιήθηκε στα τρία από τα τέσσερα taxa, λόγω μη έγκαιρου εντοπισμού του είδους Asperula naufraga, με την κατάλληλη τοποθέτηση μόνιμων δειγματοληπτικών επιφανειών 25m² για κάθε taxon και τη μελέτη της χωρικής τους κατανομής και της αναπαραγωγικής βιολογίας τους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η χλωρίδα του Εθνικού Θαλάσσιου Πάρκου Ζακύνθου συνίσταται από 559 taxa, από τα οποία τα 236 αποτελούν νέες αναφορές για την περιοχή μελέτης. Οι οικογένειες με την υψηλότερη α ποικιλότητα είναι κατά σειρά οι Asteraceae (72 taxa), Fabaceae (67 taxa) και Poaceae (42 taxa), γεγονός που αντικατοπτρίζει την επικρατούσα κατάσταση στον ελληνικό χώρο. Επιπλέον, αναδείχτηκε ο έντονος μεσογειακός χαρακτήρας της χλωρίδας της υπό εξέταση περιοχής με την κυριαρχία των θεροφύτων στο βιολογικό φάσμα και των μεσογειακών στοιχείων στο χωρολογικό φάσμα. Ωστόσο, το μεγάλο ποσοστό συμμετοχής των κοσμοπολιτικών-υποκοσμοπολιτικών στοιχείων και των αλλόχθονων taxa στην χλωρίδα της περιοχής, υποδεικνύει την έντονη ανθρωπογενή επίδραση που φαίνεται να έχει ενταθεί κατά τα τελευταία χρόνια. Τέλος, καταγράφηκαν 12 ελληνικά ενδημικά taxa στην περιοχή, από τα οποία τα δύο (Limonium phitosianum και Limonium zacynthium) αποτελούν αποκλειστικά ενδημικά taxa για τη Ζάκυνθο. Η παρακολούθηση του είδους Micromeria browiczii καθόρισε το εύρος εξάπλωσής του (ΕΟΟ) στα 117km² και την έκταση κάλυψης στα 1,6 km². Το μέγεθος του πληθυσμού του εκτιμήθηκε στα 5.250 άτομα, ενώ η ΣΑΕ του είδους είναι πολύ χαμηλή (30%). Το Limonium zacynthium έχει εύρος εξάπλωσης 171,3 km² και έκταση κάλυψης 0,3 km². Το μέγεθος του πληθυσμού του εκτιμήθηκε στα 1.168 άτομα και η ΣΑΕ του είδους βρέθηκε αρκετά υψηλή (64,2%). Τέλος, το Limonium phitosianum έχει εύρος εξάπλωσης 93,5 km² και έκταση κάλυψης 0,17 km². Το μέγεθος του πληθυσμού εκτιμήθηκε στα 2.470 άτομα και η ΣΑΕ βρέθηκε πολύ υψηλή (79,1%). Βάσει των διαθέσιμων στοιχείων και τα τρία είδη κατατάσσονται στην κατηγορία Κρισίμως Κινδινεύον (CR) (IUCN, 2012), κυρίως λόγω της περιορισμένης χωρικής τους κατανομής, ωστόσο η αύξηση των σειρών δεδομένων σε θέματα παρακολούθησης αποτελεί απαραίτητο στοιχείο για να διαφανεί η τάση του πληθυσμού κάθε είδους και για την ανάλυση της βιωσιμότητας των πληθυσμών τους σε μεταγενέστερο στάδιο. / The National Marine Park of Zakynthos (N.M.P.Z.) includes the marine area and islands of the Bay of Laganas, nesting beaches of the sea turtle Caretta caretta (Gerakas, Daphne, Secania, Kalamaki, Laganas and Marathonisi East) and a belt land that surrounds them, the wetland of Keri Lake and the Strophadia Islands The founding of this National Marine Park began with the fundamental purpose of conservation and protection of important nesting beaches of the Mediterranean sea turtle Caretta caretta and the marine and terrestrial space surrounding them. The total land area of Marine Park is approximately 45km ². The study area includes almost the entire land area (excluding Strophadia Islands). A part of this area is included in the project of network Natura 2000 in Greece (Region Code: GR 2210002). The flora of the land area of the National Marine Park of Zakynthos had been studied previously in the context of the Special Environmental Study for the Laganas Gulf (Ministry of Environment, 1997) and had recorded 173 taxa. In addition, the work of Margot & Reuter (1839 & 1841), Bornmüller (1928) and Ronniger (1941 ), which listed 212 plant taxa, constitute a previous research related to the flora of Zakynthos and also referred in areas of the N.M.P.Z. Since, in recent years, there was no comprehensive work, it was considered appropriate to fully record the flora of the protected area by collecting plant samples from each habitat type. Additionally, the entire Zakynthos is characterized by a rich flora and vegetation, while it is important the fact that 34 Greek endemic plant taxa occur in this region, four of them (Asperula naufraga, Limonium phitosianum, Limonium zacynthium and Micromeria browiczii) are exclusively endemic taxa of island. Thus, the bio-monitoring of these taxa was considered useful, in order to evaluate their conservation status using the new criteria of IUCN (2012). The bio-monitoring took place in three of the four taxa, due to the failure in time of localization and identification of the species Asperula naufraga. Permanent sample surfaces had been placed with proper placement. These surfaces were 25m ² for each taxon and we studied their spatial distribution and their reproductive biology. According to the results of this study in the National Marine Park, the flora of this area consists of 559 taxa. 236 of these taxa are new records for the study area. The families with the highest diversity in order are Asteraceae (72 taxa), Fabaceae (67 taxa) and Poaceae (42 taxa), reflecting the status of Greek area. Moreover, the strong Mediterranean character of flora of this area designated with the dominance of therophytes in the biological spectrum and the dominance of Mediterranean elements in chorological spectrum. However, the large proportion of cosmopolitan, semi-cosmopolitan elements and alien taxa in the flora of our area indicates a strong anthropogenic influence which seems to have increased in recent years. Finally, there are 12 Greek endemic taxa in the area, two of them (Limonium phitosianum and Limonium zacynthium) are exclusively endemic for Zakynthos. By monitoring Micromeria browiczii, the extent of occurrence (EOO) estimated 117km ² and the area of occupancy (AOO) 1,6 km ². Population size was estimated at 5.250 mature individuals, while the R.R.S. (Relative Reproductive Success) of the species was very low (30%). EOO of Limonium zacynthium is 171,3 km ² and AOO is 0,3 km². The population size was estimated at 1.168 mature individuals and the R.R.S. of the species was found quite high (64.2%). Finally, Limonium phitosianum has EOO 93,5 km ² and AOO 0,17 km ². The size of the population was estimated at 2.470 mature individuals and R.R.S. was found very high (79.1%). Based on the available data, these three species classified as Critical endangered (CR) (IUCN, 2012), mainly because of their limited spatial distribution. However, the increase of datasets in monitoring is an essential element to indicate the trend of population of each species and to analyze the viability of their populations at a later stage.