Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η δημιουργία ενός νανοσύνθετου υλικού με αυξημένες μηχανικές ιδιότητες και βιοσυμβατότητα. Η χιτοζάνη είναι ένας γραμμικός πολυσακχαρίτης και είναι παράγωγο της χιτίνης. Είναι ιδιαίτερα βιοσυμβατή και βιοδιασπώμενη, μπορεί να πραγματοποιήσει αδιάλυτες ενώσεις και μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί σε ογκώδη, πορώδη ικριώματα και φιλμς, Έχει ευρεία χρήση σε βιοφαρμακευτικές εφαρμογές σε τομείς όπως η μηχανική ιστών, τα φάρμακα, η θεραπεία πληγών και τα υποκατάστατα οστών. Μελέτες που προηγήθηκαν έδειξαν πως η χιτοζάνη αυξάνει τον αριθμό των κυττάρων που έχουν προσκολληθεί σε σύγκριση με τις επιφάνειες ελέγχου. Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούνται από άτομα άνθρακα με κατάλληλους δεσμούς μεταξύ τους ώστε να σχηματίζουν έναν κυλινδρικό σωλήνα του οποίου το μήκος είναι πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από τη διάμετρο του, περίπου 103 με 104. Οι νανοσωλήνες άνθρακα διακρίνονται σε μονού και πολλαπλού τοιχώματος. Οι πολλαπλού τοιχώματος αποτελούνται από πολλές στρώσεις ομόκεντρων νανοσωλήνων άνθρακα ενώ οι μονού, από μία. Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, όπως εφελκυστική αντοχή μερικά GPa και μέτρο ελαστικότητας μερικά TPa, και, σαν έγκλεισμα, βελτιώνουν τις μηχανικές ιδιότητες της μήτρας, δίνοντας ένα νανοσύνθετο υλικό με πολύ καλύτερες μηχανικές ιδιότητες από αυτές που έχει το υλικό της μήτρας. Λαμβάνοντας υπ’ όψη τα δύο παραπάνω, παρασκευάστηκαν φιλμς από χιτοζάνη (CS) και δύο ειδών φιλμς από χιτοζάνη με διαφορετικές περιεκτικότητες σε νανοσωλήνες άνθρακα 0,001% w/v και 0,002% w/v (CS-CNTs). Κατόπιν κόπηκαν κατάλληλα δοκίμια CS και CS-CNTs καταπονήθηκαν σε εφελκυσμό. Η εφελκυστική μηχανή που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο μικρογραφικός ελεγκτής υλικών MiniMat 2000. Τα προς εξέταση δείγματα που εφελκύστηκαν ήταν: CS, CS-CNTs 0,001% w/v, CS-CNTs 0,002% w/v. Τα πειράματα επαναλήφθηκαν περίπου 15 φορές για κάθε περίπτωση και με χρήση του MiniMat2000 προέκυψαν οι γραφικές παραστάσεις τάσης – παραμόρφωσης και με τους κατάλληλους υπολογισμούς βρέθηκε το μέτρο ελαστικότητας κάθε υλικού. Μετά τα πειράματα της μηχανικής καταπόνησης παρατηρήθηκε ότι το μέτρο ελαστικότητας του CS-CNTs 0,001% w/v εμφάνισε αύξηση της τάξεως 44% σε σύγκριση με το μέτρο ελαστικότητας της CS ενώ του CS-CNTs 0,002% w/v εμφάνισε αύξηση της τάξεως 36%. Από αυτό συμπεραίνουμε πως θα υπάρχει μια μέση τιμή πρόσμιξης CNTs για την οποία μεγιστοποιείται το μέτρο ελαστικότητας. Περαιτέρω πειράματα κρίνονται αναγκαία για την μελέτη του υλικού. Ο έλεγχος της βιοσυμβατότητας των υλικών CS-CNTs και MWCNTs έγινε με καλλιέργεια πρόβειων μυοϊνοβλαστικών κυττάρων. Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν ήταν ο έλεγχος της κυτταροτοξικότητας, του πολλαπλασιασμού και της απόπτωσης για μυοϊνοβλαστικά κύτταρα, τα οποία εξετάστηκαν για 1, 3 και 8 ημέρες. Τα αποτελέσματα του ελέγχου της κυτταροτοξικότητας έδειξαν ότι και τα δυο MWCNTs και CS-CNTs παρήγαγαν πολύ χαμηλό επίπεδο τοξικότητας. Τα αποτελέσματα του πειράματος του πολλαπλασιασμού έδειξαν ότι στην περίπτωση των μυοϊνοβλαστικών κυττάρων υπήρξε αύξηση του πολλαπλασιασμού μετά από 8 ημέρες κυτταροκαλλιέργειας και για τα MWCNTs και τη CS-CNTs. Η μεγαλύτερη αύξηση παρατηρήθηκε στη CS-CNTs. Επιπλέον, δεν υπήρξε απόπτωση σε καμία επιφάνεια, όσο και για τα MWCNTs και για τη CS-CNTs. Συνοψίζοντας, καταλήγουμε ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα αυξάνουν τις μηχανικές ιδιότητες του νανοσύνθετου υλικού CS-CNTs, δεν επηρεάζουν αξιοσημείωτα την κυτταροτοξικότητα, δεν δημιουργούν απόπτωση και αυξάνουν τον πολλαπλασιασμό των πρόβειων μυοϊνοβλαστικών κυττάτων. / The aim of this thesis was to create a nanocomposite material with increased mechanical properties and biocompatibility. Chitosan is a linear polysaccharide and is a derivative of chitin. It is highly biocompatible and biodegradable, can form ​​insoluble compounds and can easily be used in massive, porous scaffolds and films. It has been widely used in biomedical applications in areas such as tissue engineering, pharmaceuticals, wound healing and bone substitutes. Prior studies have shown that chitosan increases the number of adherent cells compared with control surfaces. Carbon nanotubes (CNTs) consist of carbon atoms with appropriate links between them to form a cylindrical tube whose length is several orders of magnitude larger than the diameter of around 103 to 104. CNTs can be either into single or multi walled. The multi-walled CNTs are composed of several concentric layers of carbon nanotubes while the single, one layer. CNTs have excellent mechanical properties such as tensile strength of the order of several GPa and young modulus of the order of TPa, and, as a filler improves the mechanical properties of the matrix, resulting in a nanocomposite material with much better mechanical properties than those of the material matrix. Taking into account the two above films prepared from chitosan (CS) and two types of chitosan films with different contents of carbon nanotubes 0,001% w / v and 0,002% w / v (CS-CNTs) were and the results were compared. A mold was designed and built in AutoCAD for the preparation of the into a suitable shape.The mechanical tests were performed with a tensile machine the miniature materials tester MiniMat 2000. The samples that were tested were: CS, CS-CNTs 0,001% w / v, CS-CNTs 0,002% w / v. The experiments were repeated about 15 times for each case and using the resulting MiniMat2000 graphs stress - strain and the young's modulus of each material was calculated. The results showed that the young's modulus of CS-CNTs 0,001% w / v was increased at 44% compared to the tensile modulus of the CS and that of CS-CNTs 0,002% w / v was increased at 36% . This suggests that there will be an optimum content of CNTs for which the young's modulus is maximized. Further experiments are necessary to study the material. Myofibroblasts were used, in order to evaluate the biocompatibility of the materials CS-CNTs and MWCNTs. In particular cytotoxicity, proliferation and apoptosis of cells, were evaluated after for 1, 3 and 8 days of culture. Test results showed that both MWCNTs and CS-CNTs produced very low toxicity myofibroblasts. The proliferation of Myofibroblasts in the case of cell proliferation was increased after 8 days of cell culture both on MWCNTs and on CS-CNTs. The largest increase was observed on CS-CNTs. Moreover, there was no apoptosis on any of the surfaces, MWCNTs or CS-CNTs. In summary, we conclude that carbon nanotubes enhance the mechanical properties of the nanocomposite material CS-CNTs, are not cytoxic, do not generate apoptosis and increase the proliferation of sheep Myofibroblasts cells.

Η αύξηση του προσδόκιμου διαβίωσης ενθαρρύνει την ευρύτερη χρήση τεχνητών εμφυτευμάτων για την αντικατάσταση ιστών και οργάνων ή την υποστήριξη των zωτικών λειτουργιών. Οι κυριότερες κατηγορίες υλικών που δύνανται να χρησιμοποιηθούν στα τεχνητά εμφυτεύματα είναι τα μέταλλα, τα κεραμικά, τα πολυμερή και τα σύνθετα υλικά και βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς της ιατρικής και της οδοντιατρικής. Στην παρούσα εργασία παρατίθενται οι κατηγορίες και οι ιδιότητες των υλικών, οι απαιτήσεις που πρέπει να πληρουν και οι εφαρμογές τους. Παρουσιάζονται, επίσης, μετρήσεις τραχύτητας επιφάνειας με τη μέθοδο afm σε κεφαλές από χάλυβα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην ολική αρθροπλαστική ισχίου. / The use of medical implants in order to replace or maintain tissues and organs is now wider than ever before. The major categories of materials used in such applications in medicine and dentistry are metals, polymers, ceramics and composite materials. The aim of the present project is to present the properties, the requirements and the applications of biomaterials in medical implants. It is, also, measured with afm the roughness on surfaces of metallic heads suitable for hip joints replacement.

Το ερευνητικό πεδίο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η οστεοενσωμάτωση οστικών εμφυτευμάτων. Οι βασικοί στόχοι της έρευνας αφορούσαν την κατανόηση του ρόλου τριών βασικών ρυθμιστικών παραγόντων της διαδικασίας οστεοενσωμάτωσης, δηλαδή της μηχανικής φόρτισης, της επιφανειακής τοπογραφίας και της επιφανειακής (βιο)χημείας, καθώς και τη μελέτη του βασικότερου λόγου αστοχίας των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων, της παραγωγής μικροσωματιδίων προϊόντων φθοράς τους. / -

Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που προκύπτουν από την χρήση εμφυτευμάτων και ιατρικών συσκευών και που εμποδίζουν την μακροχρόνια χρήση τους είναι η εμφάνιση νοσοκομειακών σηψαιμικών επεισοδίων σχετιζόμενων με λοιμώξεις που προκαλούνται από πηκτάση αρνητικούς σταφυλόκοκκους, και κυρίως από τον S. epidermidis. Με δεδομένο ότι η εκτεταμένη χορήγηση αντιβιοτικών έχει οδηγήσει στην επικράτηση πολυανθεκτικών βακτηριακών στελεχών της φυσιολογικής χλωρίδας, η κατασκευή αντιβακτηριακών ή και βακτηριοστατικών βιοϋλικών κρίνεται επιβεβλημένη. Για το σκοπό αυτό απαραίτητη είναι η μελέτη και η κατανόηση του μηχανισμού προσκόλλησης των βακτηρίων στην επιφάνεια του βιοϋλικού. Στην κατεύθυνση αυτή διερευνήθηκε η επίδραση των φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων βακτηρίων-υλικών, του ρυθμού διάτμησης και της σχετικής συνεισφοράς τους στην ικανότητα των βακτηρίων να προσκολλώνται στην επιφάνεια του βιοϋλικού αλλά και να ενεργοποιούν τα γονίδια ica που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή της εξωκυττάριας βλεννώδους ουσίας (slime) και συγκεκριμένα μιας πολυσακχαρικής φύσεως προσκολλητίνης (polysaccharide intercellular adhesin, PIA). Για τη μελέτη αυτή τροποιήθηκαν επιφανειακά με τεχνικές πλάσματος υπάρχοντα βιοϋλικά, παρασκευάστηκαν αυτό-οργανούμενα μονοστρωματικά συστήματα σε γυαλί και χαρακτηρίστηκαν φυσικοχημικά. Ελέγθηκε επίσης εάν οι θεωρίες κολλοειδών συστημάτων, και συγκεκριμένα η θερμοδυναμική, η DLVO και η εκτεταμένη DLVO μπορούν να εξηγήσουν τα πειραματικά αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η βακτηριακή προσκόλληση μειώνεται με την αύξηση της επιφανειακής ενέργειας και του πολικού χαρακτήρα των υλικών, ενώ δεν επηρεάζεται σημαντικά από το μη πολικό τους χαρακτήρα. Η θερμοδυναμική θεωρία εξήγησε ικανοποιητικά τα αποτελέσματα για υψηλής ιοντικής ισχύος διαλύματα, ενώ η DLVO για χαμηλής. Η εκτεταμένη DLVO θεωρία εξήγησε ικανοποιητικά την επίδραση της φυσικοχημείας τόσο του διαλύματος όσο και της επιφάνειας στη βακτηριακή προσκόλληση. Η αύξηση του ρυθμού διάτμησης μείωσε την προσκόλληση των βακτηρίων με τρόπο που εξαρτώνταν από τις φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις βακτηρίων-υλικών, ενώ παράλληλα μείωσε την προβλεψιμότητα των παραπάνω θεωριών. Επομένως, η βακτηριακή προσκόλληση θεωρήθηκε ως αποτέλεσμα του συνδιασμού φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων και σχηματισμού μακρομοριακών δεσμών. Τα αποτελέσματα από τη μελέτη της έκφρασης των γονιδίων ica έδειξαν ότι η έκφρασή τους αυξάνεται με την μείωση της επιφανειακής ενέργειας του υλικού και την αύξηση του ρυθμού διάτμησης. / One of the major problems arising from the use of implants and medical devices and impeding their long-term use is the emergence of nosocomial septic incidents related to infections caused by Coagulase negative staphylococci, most notably by S. epidermidis. The extensive use of antibiotics has resulted in multi-resistant bacterial strains of normal flora, making the need for developing antibacterial biomaterials of great importance. For this purpose it is necessary to study and understand the mechanism of bacterial adhesion to the surface of biomaterials. In this direction, we investigated the influence of the physicochemical interactions between bacteria and materials, the shear rate and their relative contribution on the ability of bacteria to adhere to the biomaterial surface and to activate the ica genes, which are responsible for the production of extracellular polymeric (slime), and in particular for the production of polysaccharide intercellular adhesin (PIA), that mediates cell-cell interactions. For this study, the surface of existing biomaterials was modified by plasma methods, self-assembled monolayers were prepared on glass, and the materials were physicochemicaly characterized. The applicability of the colloidal theories, such as the thermodynamic, the DLVO and the extended DLVO, for the prediction of bacterial adhesion was examined as well. The results showed that the increase in material surface energy and its polar component reduced bacterial adhesion, whereas adhesion was not significantly influenced by the non-polar character of the material surface. The thermodynamic theory explained satisfactorily the results for high ionic strength solutions, while DLVO for solutions with low ionic strength. The extended DLVO theory explained well the effects of both the solution and material surface properties to bacterial adhesion. The increase in shear rate reduced the number of adherent bacteria in a manner that depended on the bacteria-material physicochemical interactions, but not in the way that the above theories predicted. Therefore, bacterial adhesion considered as the result of a combination of the physicochemical and hydrodynamic interactions, and the formation of macromolecular bonds. The investigation of ica genes expression showed that the expression enhanced by the decrease in the material surface energy the increase in shear rate.