Διδακτορικός Φοιτητής
Δανάη Παπαδογιάννη

Email

danaipap@materials.uoc.gr

Θέμα διδακτορικού

Ανάπτυξη Τρισδιάστατων Εκτυπωμένων Σύνθετων Βιοϋλικών για Οστεοχδρινη Μηχανική Ιστών

Επιβλέπων

Χατζηνικολαΐδου Μαρία, αναπληρώτρια καθηγήτρια, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Επιτροπή

Χατζηνικολαΐδου Μαρία, αναπληρώτρια καθηγήτρια, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Βαμβακάκη Μαρία, Καθηγήτρια, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Sonia Fiorilli, Associate Professor, Department of Applied Science and Technology, Politecnico di Torino, Italy

Περίληψη

Στόχος αυτού του διδακτορικού είναι να γίνει η ανάπτυξη ενός υλικού που να μπορεί να μιμείται τις αλλαγές πορώδους και τις μηχανικές ιδιότητες του οστού και του χόνδρου. Το υλικό αυτό θα αποτελείται από σύνθετα βιοϋλικά, συμπεριλαμβανομένων του Gellan Gum (GG) και του υδροξυαπατίτη (ΗΑ) και σκοπός είναι να έχει εφαρμογές στην αναγέννηση του οστού και του χόνδρου. Η σύνθεση αυτού του υλικού θα γίνει με τη χρήση τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης. Οι τραυματισμοί και οι παθολογικές καταστάσεις που συσχετίζονται με τον χόνδρο και το οστό επηρεάζουν περίπου το 20% των ενηλίκων στις Η.Π.Α. Τέτοιου είδους κακωσεις που δεν έχουν θεραπευτεί μπορούν να οδηγήσουν με την πάροδο του χρόνου σε οστεοαρθρίτιδα. Μια ποικιλία κλινικών τεχνικών έχουν χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία αυτών των κακώσεων, ωστόσο αυτές οι μέθοδοι έχουν αρκετούς περιορισμούς που οδηγούν συχνά σε ανεπαρκή αποτελέσματα στη κλινική πράξη. Ο σχεδιασμός ικριωμάτων, με τη χρήση της μηχανικής ιστών, για το σημείο διεπαφής χόνδρου-οστού απαιτεί την ακριβή αναπαράσταση της κατανομής του φορτίου και της πίεσης, όπως και της χωροχρονικής δράσης των βιοχημικών παραγόντων και της διαβαθμισμένης πορώδους αρχιτεκτονικής. Το Gellan Gum είναι ένας ευρέως διαδεδομένος φυσικός πολυσακχαρίτης που έχει τραβήξει το ενδιαφέρον στη μηχανική ιστών και στην αναγεννητική ιατρική. Οι υδρογέλες με βάση το GG είναι βιοσυμβατές, βιοαποικοδομήσιμες και προσομοιάζουν την εξωκυττάρια μήτρα, γιάυτό τον λόγο έχουν μελετηθεί για την αναγέννηση του χόνδρου και των οστών. Ο υδροξυαπατίτης, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό λόγω της παρόμοιας χημικής του σύνθεσης με οστά και λόγω των βιοδραστικών ιδιοτήτων του που θα μπορούσαν να επιτρέψουν μια άμεση σύνδεση με το οστό ξενιστή. Επιπλέον, η ενσωμάτωση κεραμικών όπως ο ΗΑ εντός πολυμερών έχει αποδειχθεί ότι αυξάνει τόσο τη δύναμη συμπίεσης όσο και την αντοχή εφελκυσμού των ικριωμάτων καθιστώντας τα κατάλληλα για μοσχεύματα για οστά. Επιπρόσθετα, νανοσύνθετα υλικά με βάση το οξείδιο του ψευδαργύρου θα ενσωματωθούν στο ικρίωμα, καθώς είναι ήδη αποδεδειγμένο ότι μπορούν να ενισχύσουν την προσκόλληση των κυττάρων, τον πολλαπλασιασμό και να προωθήσουν την διαφοροποίηση σε οστό, παρουσιάζοντας επιπελόν και αντιβακτηριακές ιδιότητες. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των ικριωμάτων θα παρατηρηθούν με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), οι χημικές τους ιδιότητες θα αξιολογηθούν μέσω διαφόρων τεχνικών όπως η φασματοσκοπία υπερύθρων Fourier-Transform (FTIR), η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) , ενώ ο μηχανικός χαρακτηρισμός τους θα πραγματοποιηθεί με μέτρηση της συμπίεσης και της αντοχής εφελκυσμoύ. Τέλος, τα χαρακτηριστικά των υλικών και των ικριωμάτων θα αξιολογηθούν ως προς την συμπεριφορά των κυττάρων χρησιμοποιώντας προ-οστεοβλαστικά κύτταρα, χονδροκύτταρα και βλαστικά κύτταρα που προέρχονται από τον λιπώδη ιστό. Συγκεκριμένα, στόχος είναι να γίνει η διερεύνηση των διαφορών στην ανάπτυξη των κυττάρων, στη μορφολογία και στη διαφοροποίηση τους στις διάφορες περιοχές των ικριωμάτων.

Abstract

This project aims at the fabrication of porous multizonal scaffolds, mimicing porosity changes and mechanical properties similar to those found in the native osteochondral unit. They will be composed of composite biomaterials including gellan gum (GG) and hydroxyapatite (HA) for osteochondral applications using 3D printing technologies. Cartilage and osteochondral unit-related injuries and pathologies affect nearly 20% of adults in the U.S. Untreated osteochondral lesions can lead over time to osteoarthritis, that results in joint incongruence and abnormal biomechanical loading patterns of the adjacent articular cartilage. A variety of clinical techniques have been used to treat these injuries, nonetheless these methods have several limitations often leading to insufficient patient outcomes. Designing tissue-engineered scaffolds for the cartilage-bone interface requires an accurate recreation of load-bearing and stress distribution, spatiotemporal action of biochemical factors, and graded porous architecture. Gellan gum is a widely explored natural polysaccharide that has been gaining attention in tissue engineering and regenerative medicine. GG-based hydrogels are biocompatible, biodegradable, and possess a similarity with the extracellular matrix, thus, they have been studied for cartilage and bone tissue regeneration. Hydroxyapatite, on the other hand, is largely used due to its similar chemical composition with bone and bioactive properties that could allow a direct bonding interface with the host bone. Moreover, the incorporation of ceramics such as HA within polymer matrices has been shown to increase both the compressive and tensile strength of scaffolds making them suitable for load-bearing bone grafts. Additionally, zinc oxide based nanocomposites will be incorporated in the scaffold, since it was previously shown that it can enhance cell adhesion, proliferation and promote osteogenic differentiation, exhibiting antibacterial properties. The morphological characteristics of the scaffolds will be observed by scanning electron microscopy (SEM), their chemical properties will be assessed through various techniques such as Fourier-Transform Infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric analysis (TGA), while their mechanical characterization will be performed by measurement of compression and tensile strength. Finally, the characteristics of the materials and scaffolds will be evaluated on cell behavior using pre-osteoblastic cells, chondrocytes and adipose-derived stem cells. In particular, the target is to explore differences in cell growth, morphology and osteochondral differentiation potential in the different areas of the composite scaffolds.