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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/705 |
| Date | 12 February 2008 |
| Creators | Καλονάκης, Κωνσταντίνος |
| Contributors | Κοντογιάννης, Χρίστος, Κουτσούκος, Πέτρος, Κλεπετσάνης, Παύλος, Κοντογιάννης, Χρίστος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Relation | Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0035 seconds