Χαρακτηρισμός Βιοενεργότητας του 45S5 με τη χρήση της Θερμοφωταύγειας

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Χαρακτηρισμός Βιοενεργότητας του 45S5 με τη χρήση της Θερμοφωταύγειας Πτυχιακή Εργασία Κυριακίδου Αλεξάνδρα Επιβλέπoντες Καθηγητές ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Μ. ΠΑΡΑΣΚΕΥΟΠΟΥΛΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΙΤΗΣ Θεσσαλονίκη 204

2 Περιεχόμενα Περίληψη 3 Abstract 4 Πρόλογος 5 Κεφάλαιο -Εισαγωγή 6.Φωταύγεια 7.. Θερµοφωταύγεια 7..2 Μοντέλο Θερμοφωταύγειας 8..3 Φωτοκαμπύλη 9..4 Χαρακτηριστικά υλικών φωταύγειας..5 Ευαισθησία-Ευαισθητοποίηση..6 Οργανολογία..6. Ακτινοβολήσεις 2.2 Βιοϋλικά 4.2. Ορισμός Είδη βιοϋλικών Βιοενεργά υλικά Βιοενεργή ύαλος Bioglass 45S Εφαρμογές Bioglass 45S5 9.3 Υγρά προσομοίωσης του πλάσματος του αίματος (SBF s) Συμβατικό υγρό προσομοίωσης (c-sbf) Έλεγχος βιοενεργότητας 2 Κεφάλαιο 2 - Τεχνικές Χαρακτηρισμού Φασματοσκοπία υπερύθρου 23

3 Κεφάλαιο 3 - Υλικά και Μεθοδολογία Παρασκευή βιοϋλικού Μέθοδος παρασκευής υγρού προσομοίωσης 27 σωματικών υγρών (c-sbf) 3.3 Προετοιμασία δειγμάτων και εμβάπτιση τους στο SBF 29 Κεφάλαιο 4 - Πειραματικά Αποτελέσματα 3 4. Εισαγωγή Αποτελέσματα Φασματοσκοπίας υπερύθρου Αποτελέσματα Θερμοφωταύγειας 35 Κεφάλαιο 5 Συμπεράσματα 64 Βιβλιογραφία 67 2

4 Περίληψη Οι βιοενεργές κεραμικές ύαλοι είναι συνθετικά άμορφα υλικά, στα οποία κατά την εισαγωγή τους στο ανθρώπινο σώμα προκαλούνται χημικές και δομικές αλλαγές οι οποίες εξαρτώνται από το χρόνο παραμονής τους. Τότε σχηματίζεται ένα στρώμα ανθρακικού υδροξυαπατίτη. Ωστόσο, ο σχηματισμός του ανθρακικού υδροξυαπατίτη δεν γίνεται αμέσως μετά την εμβάπτιση. Μέχρι σήμερα, οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται συνήθως για τον προσδιορισμό του σχηματισμού του ανθρακικού υδροξυαπατίτη, είναι μάλλον χρονοβόρες και δεν είναι κατάλληλες για λεπτομερή και ταχεία παρακολούθηση των αλλαγών στην απόκριση βιοενεργότητας των υλικών. Η Θερµοφωταύγεια είναι επίσης ένα εξαιρετικά χρήσιμο εργαλείο για τον χαρακτηρισμό διαφόρων υλικών. Η παρούσα εργασία διερευνά τη δυνατότητα χρησιμοποίησης της για τη διάκριση μεταξύ των διαφόρων βιοενεργών αποκρίσεων στην περίπτωση του 45S5, (SiO2 45, Na2O 24,5, 24,5 CaO, P2O5 6 σε% κ.β.), το οποίο συνετέθη μέσω της διαδικασίας τήξης, σε συνδυασμό με αντίστοιχες μετρήσεις της φασματοσκοπίας υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR). Τα αρχικά δείγματα, ήταν σκόνη που αποτελείται από κόκκους με διαστάσεις 20-40μm, τα οποία εμβαπτίστηκαν στο υγρό προσομοίωσης του πλάσματος του αίματος (SBF) για διάφορες χρονικές περιόδους. Πιο συγκεκριμένα επιλέχθηκαν 6 διαφορετικοί χρόνοι εμβάπτισης, που κυμαίνονται μεταξύ 0 και 6 ημέρες. Όλα τα πειράματα διεξήχθησαν υπό συνθήκες ανανέωσης ώστε το διάλυμα να διατηρεί την ιοντική συγκέντρωση και το pη του, σταθερά. Όλα τα δείγματα εξετάστηκαν εις διπλούν. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως μέσω της θερμοφωταύγειας μπορεί εύκολα να εντοπιστεί η απώλεια του διοξειδίου του πυριτίου. Η απώλεια αυτή αντανακλάται στη μείωση της έντασης της κορυφής των C TL για διάφορους χρόνους εμβάπτισης. Η μείωση φαίνεται να είναι γρήγορη, ακόμη και για τους μικρότερους χρόνους εμβάπτισης. Επίσης η ένταση της κορυφής των C TL συναρτήσει του χρόνου εμβάπτισης αποδίδει ασυνέχειες, παρέχοντας έτσι πειραματικές ενδείξεις σχετικά με το πότε δημιουργείται στρώμα ανθρακικού υδροξυαπατίτη. Κατά συνέπεια, η θερµοφωταύγεια αποτελεί μια εναλλακτική λύση για τη μελέτη βιοενεργών υλικών. 3

5 Αbstract Bioactive glass-ceramics are synthetic amorphous materials, which upon insertion in the human body attain both chemical and structural changes occuring as a function of time within the glass surface. A carbonated hydroxyapatite (HCAp) layer is formed then, however this formation does not occur instantly upon immersion. To date, all techniques used for the identification of this HCAp formation, such as X Ray Diffraction (XRD) and Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (FTIR) are rather time consuming and not well suited to detailed and rapid monitoring of changes in the bioactivity response of the materials. Luminescence, in both forms of Thermoluminescence (TL) as well as Optically Stimulated Luminescence (OSL) has been increasingly used for dosimetric purposes that presently constitute an important part of solid-state dosimetry. Nevertheless, TL is also an extremely useful tool towards solid state characterization of several materials. Recently, strong indications were provided towards the effective application of TL as an alternative as well as innovative probe in discriminating between different bioactive responses for the case of the sol-gel, 58S bioactive glass (SiO 2 60, CaO 36, P 2 O 5 4 in wt %). The present work explores the possibility of using TL for the discrimination between different bioactive responses in the case of the 45S5 bioactive glass, (SiO 2 45, Na 2 O 24.5, CaO 24.5, P 2 O 5 6 in wt %), which was synthesized through melting process. The original samples were grains with dimensions of 20 40μm, which were immersed in the Simulated Body Fluid (SBF) for various periods of time. 6 different immersion times were selected, ranging between 0 and 6 days. All experiments were carried out under solution renewal conditions by maintaining the ionic concentration and ph of the solution constant. All samples were tested in duplicates. Similarly to the case of 58S, results so far suggest the use of the C TL peak for a number of reasons, namely: (a) this TL peak is ubiquitously present in all the 45S5 samples, regardless of the immersion time; (b) due to its simplicity and non-composite nature, the C TL peak does not require deconvolution analysis, while this is not the case for the rest of the glowcurve, which is dominated by the presence of amorphous components, corresponding to continuous trap distribution; (c) the C TL glowpeak shape could be yielding a timescale regarding the immersion period for the beginning of some among the initial stages included in the bioactivity sequence; (d) the intensity of the C TL peak was proven to be very sensitive to the different bioactive responses, indicating a strongly decreasing pattern with increasing time immersion in SBF. TL can easily identify the loss of silica which takes place. This loss is reflected to the decrease in the C TL peak intensity versus different immersion times, which appears to be fast even for the shorter immersion times. Τhe C TL peak intensity plot versus immersion time yields discontinuities, providing thus experimental indications regarding the timescale for both the beginning as well as the end of the procedure of the crystalline hydroxyl-apatite formation resepctively. Consequently, TL could indicate the beginning of crystalline HCAp formation, occuring within the first hour of immersion, while for longer immersion times the HCAp phase could be traceable. Thermoluminescence results are compared for the two aforementioned bioactive materials. 4

6 Πρόλογος Η παρούσα πτυχιακή εργασία με τίτλο «Χαρακτηρισμός βιοενεργότητας του 45S5 με τη χρήση θερμοφωταύγειας», πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών του τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, στο Εργαστήριο Φασματοσκοπίας Υπερύθρου του τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και στο εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του τμήματος. Η εργασία είναι χωρισμένη σε πέντε κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για το πειραματικό μέρος που ακολουθεί δηλαδή περιγράφεται αναλυτικά η μέθοδος της θερμοφωταύγειας και η θεωρία των βιοϋλικών. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος λειτουργίας της Φασματοσκοπίας Υπερύθρου που χρησιμοποιήθηκε για τον χαρακτηρισμό του βιοϋλικού. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται αναλυτικά ο τρόπος παρασκευής του βιοϋλικού, του υγρού προσομοίωσης των σωματικών υγρών, καθώς και ο τρόπος προετοιμασίας τους για την εμβάπτιση στο υγρό προσομοίωσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα ενώ στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η αποτίμηση αυτών των αποτελεσμάτων. Για την εκπόνηση αυτής της εργασίας θέλω να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα Καθηγητή κύριο Παρασκευόπουλο Κωνσταντίνο για τη βοήθεια και την υποστήριξη που μου έδειξε. Επίσης θα πρέπει να εκφράσω τις θερμότερες ευχαριστίες μου στον καθηγητή μου, αναπληρωτή Καθηγητή κ. Γεώργιο Κίτη. Τον ευχαριστώ για τη δυνατότητα που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο σημαντικό θέμα. Την επ. Καθηγήτρια Κοντονασάκη Ελεάνα, που προσέφερε το υλικό που μελετήθηκε στην εργασία. Ακόμη ευχαριστώ τον επίκουρο καθηγητή Γεώργιο Πολυμέρη για την καθοδήγηση, για την σημαντική του βοήθεια στο θεωρητικό και πειραματικό κομμάτι της παρούσης εργασίας και για την ψυχολογική υποστήριξη που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια διεξαγωγής της εργασίας. Την υπ. Δρ Σφάμπα Ιωάννα και τον υπ. Δρ Θεοδώρου Γιώργο που με καθοδήγησαν στην πειραματική μεθοδολογία και με βοήθησαν σε ότι και αν χρειάστηκα. Επίσης την διπλωματούχο Γιαννουλάτου Βαλέρια, χωρίς τη βοήθεια της οποίας θα ήταν αδύνατο να ολοκληρώσω την εργασία. 5

7 Κεφάλαιο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 6

8 . ΦΩΤΑΥΓΕΙΑ Στην εργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της θερμοφωταύγειας για τον χαρακτηρισμό των υπό μελέτη υλικών. Με την τεχνική αυτή μελετώνται χαρακτηριστικές φωταυγειακές ιδιότητες, όπως η ευαισθησία (sensitivity) και η ευαισθητοποίηση (sensitization). Η Φωταύγεια ορίζεται ως η εκποµπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας µε τη µορφή φωτός, κατά την αποδιέγερση ατόµων ή µορίων ενός υλικού, τα οποία αρχικά είχαν διεγερθεί µε την προσφορά µη θερµικής ενέργειας [,2].Στα υλικά τα οποία ακτινοβολούνται µε ραδιενεργό ακτινοβολία το µήκος κύµατος της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας είναι χαρακτηριστικό του υλικού και δεν εξαρτάται από το είδος της ιονιστικής ακτινοβολίας[3]. Οι περισσότερες µελέτες του φαινοµένου ασχολούνται µε τις περιπτώσεις εκποµπής στην περιοχή του ορατού φάσµατος. Ωστόσο, και άλλα µήκη κύµατος που εκπέµπονται, στις περιοχές του υπέρυθρου και του υπεριώδους έχουν έρευνηθει [4]. Ανάλογα µε τον τρόπο επαγωγής του εκπεµπόµενου φωτός, η φωταύγεια διαχωρίζεται σε διάφορα φαινόμενα, όπου το πρώτο συνθετικό στα ονόµατα αυτών, δείχνει τον τρόπο διέγερσης. Φαινόμενα φωταύγειας είναι η φωτοφωταύγεια (Photoluminescence), όπου το σωματίδιο απορροφά ενέργεια από το φως (συνήθως ορατό φως ή υπεριώδες), η καθοδοφωταύγεια (Cathodoluminescence), όπου η απαραίτητη ενέργεια προκύπτει από μία δέσμη ηλεκτρονίων και η ραδιοφωταύγεια (Radioluminescence) που οφείλεται σε πυρηνική ακτινοβολία (από ακτίνες x, γ κλπ). Επίσης υπάρχει η χημειοφωταύγεια (Chemiluminescence) εξαιτίας χημικής ενέργειας, η τριβοφωταύγεια (Triboluminscence) που προκαλείται από μηχανική ενέργεια, η ηλεκτροφωταύγεια (Εlectroluminescence) με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας, η βιοφωταύγεια (Bioluminescence) από βιοχημική ενέργεια, ακόμη και ηχοφωταύγεια (Sonoluminscence) που εμφανίζεται με τη χρήση ηχητικών κυμάτων [3]... ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑ O όρος θερµοφωταύγεια (ThermoLuminescence, TL) αναφέρεται στη θερµικά προτρεπόµενη εκποµπή φωτός, από µονωτές ή ηµιαγωγούς, οι οποίοι έχουν απορροφήσει προηγουμένως ενέργεια από ακτινοβολία, υπεριώδη ή ιονιστική. Στη θερμοφωταυγεια η διέγερση προκαλείται µε ακτινοβόληση και η θέρµανση είναι απλά το µέσο που πυροδοτεί τον όλο µηχανισµό απελευθέρωσης της συσσωρευµένης ενέργειας. Για το λόγο αυτό ο όρος Θερμικά Προτρεπόμενη Φωταύγεια (Thermally Stimulated Luminescence, TSL) είναι πιο περιγραφικός και ακριβής. Παρ όλα αυτά ο όρος θερμοφωταύγεια χρησιμοποιείται περισσότερο και έχει καθιερωθεί παγκοσμίως. Οι προϋποθέσεις για να παρατηρηθεί η θερµοφωταύγεια είναι οι εξής:. Το υλικό πρέπει να είναι µονωτής ή ηµιαγωγός. 2. Το υλικό θα πρέπει να έχει απορροφήσει ενέργεια εκτιθέμενο σε ιονιστική ακτινοβολία. 7

9 3. Το φως εκπέµπεται µόνο αν θερµανθεί το υλικό. 4. Μετά την εκποµπή του φωτός µε θέρµανση, και τη μετέπειτα ψύξη του υλικού, η άµεση εκ νέου θέρµανση του δεν συνοδεύεται από εκποµπή θερµοφωταύγειας. Στη θερµοφωταύγεια μελετάται µία συγκεκριμένη ιδιότητα του υπό εξέταση υλικού συναρτήσει της θερµοκρασίας του. Για τη λήψη ενός φάσµατος θερµοφωταύγειας, το δείγµα θερµαίνεται µε σταθερό ρυθµό θέρμανσης ΗR (γραµµικά), από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος µέχρι µια υψηλή θερµοκρασία T max, χωρίς να αποκλείονται και άλλες διαδικασίες θέρµανσης, καθ όλη τη διάρκεια της οποίας καταγράφεται η ένταση του εκπεµπόµενου φωτός, για κάθε διαφορετική θερµοκρασία του δείγματος. Η απεικόνιση της έντασης αυτής συναρτήσει της θερµοκρασίας T αναπαριστά µια καµπύλη η οποία ονοµάζεται θερµική καµπύλη (thermal curve), αλλά έχει επικρατήσει να ονοµάζεται φωτοκαµπύλη (glow curve). Για κάθε φωτοκαµπύλη χρειάζεται να καθοριστούν δύο πειραµατικές µεταβλητές: η µέγιστη θερµοκρασία θέρμανσης Tmax, καθώς και ο ρυθµός θέρµανσης HR. Από την φωτοκαµπύλη προκύπτουν πολύτιµες πληροφορίες που αφορούν στις φυσικές παραμέτρους του υπό εξέταση υλικού. Στις παραµέτρους αυτές συµπεριλαµβάνονται η ενέργεια ενεργοποίησης (activation energy, συνήθως σε µονάδες ev) και ένας προεκθετικός συντελεστής (pre-exponential factor, συνήθως σε μονάδες s - ), που καλείται επίσης και συντελεστής συχνότητας (frequency factor)...2 ΜΟΝΤΕΛΟ ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Είναι γνωστό πως τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου βρίσκονται σε συγκεκριμένες τροχιές γύρω από τον πυρήνα και σε συγκεκριμένες και διακριτές ενεργειακές καταστάσεις. Σε ένα στερεό, τα άτομα για να σχηματίσουν δεσμούς, βρίσκονται σε πολύ κοντινές αποστάσεις μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι οι ενεργειακά επιτρεπτές καταστάσεις βρίσκονται τόσο κοντά μεταξύ τους, ώστε συνιστούν ένα φαινομενικό συνεχές, που ονομάζεται ενεργειακή ζώνη (energy band). Όλες οι ενεργειακές ζώνες στις οποίες βρίσκονται τα ηλεκτρόνια των κλειστών τροχιών, είναι πάντοτε πλήρως κατειλημμένες. Η τελευταία πλήρως κατειλημμένη ενεργειακή ζώνη περιέχει τα ηλεκτρόνια σθένους και ονομάζεται ζώνη σθένους (valence band). Η αμέσως επόμενη επιτρεπόμενη ενεργειακή ζώνη είναι η ζώνη αγωγιμότητας, και διαχωρίζεται από την ζώνη σθένους με ένα ενεργειακό κενό, δηλαδή μια απαγορευμένη ζώνη. Έστω Εv η μέγιστη δυνατή τιμή ενέργειας που μπορεί να πάρει ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη σθένους και κατά αντιστοιχία Εc η ελάχιστη δυνατή τιμή ενέργειας στη ζώνη αγωγιμότητας. Το ενεργειακό χάσμα Εg (= Εc Εv) αποτελεί ουσιαστικά την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για να σπάσει ένας δεσμός του κρυσταλλικού πλέγματος. Ταυτόχρονα αποτελεί ένα κριτήριο διαχωρισμού των κρυσταλλικών υλικών. Αν η τιμή του είναι σχετικά μεγάλη ( ~ 3 ev), το υλικό χαρακτηρίζεται ως μονωτής. Από την άλλη μεριά, αν οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους αλληλεπικαλύπτονται, τότε το υλικό χαρακτηρίζεται ως αγωγός. Μια ενδιάμεση κατάσταση χαρακτηρίζει έναν ημιαγωγό. Γενικά το μοντέλο της θερμοφωταύγειας περιλαμβάνει τα παρακάτω στάδια : 8

10 i) Ιονισμός των ατόμων με πυρηνική ακτινοβολία και παγίδευση ηλεκτρονίων σε παγίδες όπου παραμένουν όσο η θερμοκρασία δεν μεταβάλλεται. Κάθε μεταπήδηση ηλεκτρονίου αφήνει πίσω της (στη ζώνη σθένους) μια θετικά φορτισμένη οπή (hole). Το κάθε άτομο που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο περιλαμβάνει μία οπή και όταν αυτό λαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο από γειτονικό άτομο, τότε του μεταφέρει την οπή και με αυτόν τον τρόπο η οπή θεωρείται ως φορέας θετικού φορτίου. Αντίστοιχα με τα ηλεκτρόνια, οι θετικά φορτισμένες οπές μπορεί να παγιδευτούν σε άλλες ατέλειες ή προσμίξεις, οι οποίες ονομάζονται κέντρα φωταύγειας (luminescence centers). ii) Αποθήκευση των ηλεκτρονίων στις παγίδες. Ο χρόνος ζωής των ηλεκτρονίων στις παγίδες μπορεί να είναι της τάξεως των εκατοντάδων χιλιάδων ετών. Αυτός ο χρόνος ζωής καθορίζεται από το βάθος Εs της παγίδας χαμηλότερα από τη ζώνη αγωγιμότητας. Η ρηχή παγίδα Ts έχει μικρότερη ενέργεια από τη βαθιά παγίδα Τt (Et > Es), συνεπώς είναι λιγότερο ευσταθής. iii)επανασύνδεση ηλεκτρονίων και οπών με εκπομπή φωτονίων. Οι δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος οδηγούν σε εκδίωξη ηλεκτρονίων. Ορισμένα από αυτά τα ηλεκτρόνια φθάνουν στα κέντρα φωταύγειας και όταν συμβεί αυτό εκπέμπεται φως καθώς τα σωματίδια επανασυνδέονται. Το σχήμα που ακολουθεί δείχνει την ενεργειακή διαμόρφωση των ταινιών για κάθε κατάσταση. Οι μαύροι κύκλοι στο σχήμα παριστάνουν τα ηλεκτρόνια και οι άσπροι κύκλοι τις οπές. Επίσης στις ατέλειες του πλέγματος έχουμε, για Ti (παγίδες) και H (κέντρα φωταύγειας) αντίστοιχα. Εικόνα : Σχηματική αναπαράσταση της θερμοφωταύγειας...3 ΦΩΤΟΚΑΜΠΥΛΗ Φωτοκαμπύλη ονομάζεται η γραφική παράσταση της έντασης του εκπεμπόμενου φωτός ενός υλικού που εκτέθηκε σε ιονιστική ακτινοβολία συναρτήσει της θερμοκρασίας θέρμανσής του. Μια φωτοκαμπύλη φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 9

11 Εικόνα 2: Φωτοκαμπύλη Μια φωτοκαμπύλη μπορεί να έχει ένα ή περισσότερα μέγιστα τα οποία ονομάζονται φωτοκορυφές (glow-peaks), κάθε μία από τις οποίες αντιπροσωπεύει το ενεργειακό επίπεδο της παγίδας (activation energy). Όσο πιο βαθιά είναι μια παγίδα, δηλαδή όσο μεγαλύτερη η απόστασή της από τη ζώνη αγωγιμότητας, τόσο πιο μεγάλη ενέργεια χρειάζεται να δοθεί για την αποδέσμευση ενός ηλεκτρόνιου το οποίο είναι παγιδευμένο σε αυτή. Για κάθε παγίδα υπάρχει χαρακτηριστική θερμοκρασία, δηλαδή ποσό ενέργειας που πρέπει να διοχετευτεί στα ηλεκτρόνιά της, έτσι ώστε αυτή να αδειάσει. Συνεπώς κάθε φωτοκορυφή αντιστοιχεί σε παγίδα με διαφορετική ενέργεια. Η πιθανότητα p ανά μονάδα χρόνου για θερμική εκπομπή από μια παγίδα, δηλαδή η πιθανότητα απελευθέρωσης του ηλεκτρονίου από την παγίδα δίνεται από την εξίσωση Arrhenius: P=se (-ΔΕ/kT) O χρόνος παραμονής για ένα παγιδευμένο ηλεκτρόνιο υπολογίζεται ως το αντίστροφο της πιθανότητας P. Για δεδομένη ενέργεια Ε λοιπόν και για χαμηλές θερμοκρασίες, η πιθανότητα να διαφύγουν ηλεκτρόνια από τις παγίδες είναι μικρή, συνεπώς και ένταση της θερμοφωταύγειας είναι χαμηλή. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, όλο και περισσότερα ηλεκτρόνια διαφεύγουν άρα αυξάνεται και η ένταση της θερμοφωταύγειας. Ταυτόχρονα μειώνεται το απόθεμα των ηλεκτρονίων που παραμένουν παγιδευμένα. Συνεπώς, η ένταση της θερμοφωταύγειας θα φτάσει σε κάποιο μέγιστο και μετά θα μειωθεί απότομα σε μια τιμή κοντά στο μηδέν, όταν σχεδόν όλες οι παγίδες θα έχουν αδειάσει...4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΥΛΙΚΩΝ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Τα υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται για τις εφαρμογές της θερμοφωταύγειας πρέπει να έχουν ορισμένες χαρακτηριστικές ιδιότητες. Οι πιο σημαντικές από αυτές αναφέρονται παρακάτω:

12 ) Υψηλή συγκέντρωση παγίδων και υψηλή αποδοτικότητα σε εκπεμπόμενο φως συσχετιζόμενο με την διαδικασία της επανασύνδεσης. 2) Καλή αποθηκευτική σταθερότητα των παγιδευμένων φορτίων σαν συνάρτηση του χρόνου αποθήκευσης και της θερμοκρασίας. 3) Να δίνουν απλή φωτοκαμπύλη που να επιτρέπει την ερμηνεία των δεδομένων όσο πιο απλά γίνεται. 4) Το φάσμα του εκπεμπόμενου TL φωτός να είναι εκείνο για το οποίο είναι ευαίσθητο το ανιχνευτικό σύστημα ( Å). 5) Η κύρια κορυφή πρέπει να δίνει ένα μέγιστο στην κλίμακα των ο C. 6) Καλή αντίσταση στους ανεπιθύμητους περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως στο φως και στην υγρασία κτλ. 7) Δεν πρέπει να υφίστανται καταστροφή από την ακτινοβολία (Radiation Damage) στην κλίμακα των δόσεων που χρησιμοποιούνται. 8) Να έχουν μικρή διακύμανση για κάθε τιμή ενέργειας φωτονίων. 9) Να μην είναι τοξικά στην περίπτωση της κλινικής χρήσης τους. ) Η απόκριση στις δόσεις να είναι ανεξάρτητη του ρυθμού με τον οποίο αυτές δόθηκαν. ) Όσο το δυνατόν χαμηλότερο όριο ανίχνευσης δόσεων εξαρτώμενο, από τον σκοπό χρήσης του υλικού. 2) Όσο το δυνατόν μικρότερη «αυτό-ακτινοβόληση» αν το υλικό περιέχει φυσικά ραδιενεργά...5 ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑ [Sensitivity] - ΕΥΑΙΣΘΗΤΟΠΟΙΗΣΗ [Sensitization] Πρόκειται για την ποσότητα σήματος φωταύγειας που εκπέμπεται ανά μονάδα απορροφούμενης δόσης. Η ευαισθησία για το ίδιο δοσίμετρο εξαρτάται ισχυρά από το είδος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η ευαισθησία ενός υλικού εξαρτάται από τα ιστορικά θέρμανσης, ακτινοβόλησης και έκθεσής του στο ηλιακό φως καθώς και το συνδυασμό τους. Το φαινόμενο αύξησης της ευαισθησίας ενός δοσιμέτρου καλείται ευαισθητοποίηση (sensitization). Ουσιαστικά πρόκειται για την αλλαγή ευαισθησίας ενός φωσφόρου η οποία επάγεται εξαιτίας εξωτερικών παραγόντων όπως η θέρμανση και η δόση. Στην παρούσα εργασία η ευαισθητοποίηση έγινε με τεχνητά μέσα. Αυτό σημαίνει ότι για την πραγματοποίηση των πειραμάτων θερμάνθηκε το υλικό και ακτινοβολήθηκε με τη χρήση ραδιενεργούς πηγής...6 ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ Ο εξοπλισµός που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση των μετρήσεων της θερμοφωταύγειας φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

13 Εικόνα 3 : Σχεδιαγραμματική απεικόνιση συστήματος μελέτης Θερμοφωταύγειας Το υπό μελέτη υλικό τοποθετείται πάνω σ ένα μεταλλικό πλακίδιο, την πλανσέττα (planchette). Η θερμοκρασία της πλανσέττας αυξάνεται καθώς αυτή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Η θερμοκρασία της πλανσέττας μετριέται με την βοήθεια θερμοζεύγους. Η θέρμανση γίνεται μέσα σε ατμόσφαιρα καθαρού αζώτου για να αποφευχθεί οξείδωση της επιφάνειας του κρυστάλλου που συνοδεύεται από εκπομπή φωτός (χημειοφωταύγεια). Τροφοδοτικό υψηλής τάσης τροφοδοτεί με ρεύμα την πλανσέττα και η μέτρηση της θερμοκρασίας γίνεται μέσω του σήματος του θερμοζεύγους. Η ένταση του ρεύματος ρυθμίζεται ώστε η αύξηση της θερμοκρασίας να είναι γραμμική. Ο φωτοπολλαπλασιαστής μετρά την ένταση της θερμοφωταύγειας και η παρατηρούμενη φωτοκαμπύλη καταγράφεται με την βοήθεια ηλεκτρονικών συστημάτων...6. ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΗΣΕΙΣ Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων τα δείγματα ακτινοβολήθηκαν με ακτινοβολία β. Η πηγή που χρησιμοποιήθηκε για το σκοπό αυτό είναι 90 Sr/ 90 Y, η οποία εκπέμπει σωμάτια β. Ο ρυθμός δόσης στο δείγμα είναι της τάξης του 0.42Gy/min. Η πηγή είναι τοποθετημένη μέσα σε ένα δοχείο κατασκευασμένο από μόλυβδο. Η χρήση του δοχείου θωράκισης έχει πολύ μεγάλη σημασία, για να μην είμαστε εκτεθειμένοι στην ακτινοβολία που εκπέμπεται από την πηγή όσο χρόνο βρισκόμαστε μέσα στο χώρο του εργαστηρίου. 2

14 Στο μολύβδινο δοχείο υπάρχει ένα συρτάρι με ειδική θέση μέσα στην οποία τοποθετούμε το εκάστοτε δείγμα. Με τον τρόπο αυτό το δείγμα διατηρεί πάντα σταθερή απόσταση από την πηγή κατά την ακτινοβόλησή του. Αφού όλα τα δείγματα που ακτινοβολήσαμε είχαν σταθερή και την ίδια απόσταση από την πηγή, είμαστε σε θέση να συγκρίνουμε την ακτινοβολία που προσέλαβε το καθένα ως συνάρτηση μόνο του χρόνου. Επειδή η ακτινοβολία β εξασθενεί καθώς αυξάνει η απόσταση, θα πρέπει να γνωρίζουμε κάθε φορά την απόσταση αυτή. Η σταθερή αυτή απόσταση είναι περίπου 5 mm. Ο χρόνος παραμονής του δείγματος στην ακτινοβόληση κάθε φορά εξαρτάται από τη δόση που επιθυμούμε να προσλάβει. Όσο περισσότερο χρόνο μένει το δείγμα κοντά στη πηγή, τόσο μεγαλύτερη είναι και η δόση που θα προσλάβει. Με τη χρήση χρονομέτρων επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή ακρίβεια στη δόση που δεχόταν κάθε φορά το δείγμα. 3

15 .2 ΒΙΟΥΛΙΚΑ.2. ΟΡΙΣΜΟΣ Βιοϋλικά χαρακτηρίζονται τα φυσικά ή τεχνητά υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται για να κατευθύνουν, να συμπληρώνουν ή να αντικαθιστούν τμήματα ή λειτουργιές των ιστών στο ανθρώπινο σώμα [5]. Αυτά τα υλικά μπορούν να αντικαταστήσουν συστατικά του ανθρώπινου σώματος, ενώ προκαλούν από ελάχιστες έως καθόλου παρενέργειες στον οργανισμό [6]. Είναι γνωστό ότι ο ανθρώπινος οργανισμός αντιδρά σε ουσίες ξένες προς αυτόν. Συνεπώς όταν ένα συνθετικό υλικό εισάγεται στον ανθρώπινο οργανισμό, ο ιστός αντιδρά με ποικίλους τρόπους οι οποίοι εξαρτώνται από τον τύπο του υλικού. Ο μηχανισμός με τον οποίο αντιδρά ο ιστός εξαρτάται από την αντίδραση του ιστού στην επιφάνεια του εμφυτεύματος. Ανάλογα με την αλληλεπίδρασή του με τους ιστούς, ένα βιοϋλικό μπορεί να κατανεμηθεί σε τρεις κατηγορίες: τα βιοαδρανή, τα βιοαπορροφήσιμα και τα βιοενεργά[7-9]. Πιο συγκεκριμένα:. Βιοαδρανή ονομάζονται τα υλικά, τα οποία μετά την εισαγωγή τους στον οργανισμό προκαλούν από ελάχιστη έως καθόλου αλληλεπίδραση με τους περιβάλλοντες ιστούς. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν το ανοξείδωτο ατσάλι, το τιτάνιο, η αλουμίνα κ.α.. 2. Βιοαπορροφήσιμα ονομάζονται τα υλικά, τα οποία, μετά την εισαγωγή τους στον ανθρώπινο οργανισμό αρχίζουν με αργούς ρυθμούς να διαλύονται και να απορροφώνται από τον οργανισμό έως ότου αντικατασταθούν από αναπτυσσόμενους ιστούς. 3. Βιοενεργά ονομάζονται τα υλικά, τα οποία, αφού εισαχθούν στον οργανισμό αλληλεπιδρούν με τα περιβάλλοντα οστά και σε μερικές περιπτώσεις ακόμα και με μαλακούς ιστούς. Αυτό συμβαίνει μέσα σε ένα χρονικό διάστημα, κατά το οποίο, η ανταλλαγή ιόντων μεταξύ του βιοενεργού υλικού και των γύρω σωματικών υγρών έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας στρώσης βιολογικού απατίτη (HCAp) στη διεπιφάνεια επαφής. Κεραμικά, ύαλοι και υαλοκεραμικά υλικά, τα οποία περιέχουν οξείδια του πυριτίου, του νατρίου, του ασβεστίου και του φωσφόρου (SiO 2, Na 2 O, CaO και P 2 O 5 ) είναι μερικά παραδείγματα βιοενεργών υλικών. Τα βιοϋλικά παρασκευάζονται στο εργαστήριο κάτω από απόλυτα ελεγχόμενες συνθήκες, ώστε να εξασφαλιστεί η μέγιστη δυνατή καθαρότητά τους. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές ανάπτυξης που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή βιοϋλικών, με βασικό κριτήριο τον λόγο, του τελικού αποτελέσματος προς το κόστος ανάπτυξης, να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερος. Σήμερα από μια πληθώρα τεχνικών ανάπτυξης που είναι διαθέσιμες, υπάρχουν κάποιες οι οποίες υπερέχουν ξεκάθαρα. Οι τεχνικές αυτές είναι: ) η Melt Derived Process, 2) η Sol-Gel (S.G.) Technique 4

16 .2.2 ΕΙΔΗ ΒΙΟΥΛΙΚΩΝ Οι κυριότερες ομάδες υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοϋλικά είναι οι ακόλουθες[20]: ΚΕΡΑΜΙΚΑ Με τον όρο κεραμικά υλικά χαρακτηρίζονται τα μη μεταλλικά ανόργανα υλικά, τα οποία είναι γενικά σκληρά, δύσκαμπτα και χημικά σταθερά. Ανθίστανται στη διάβρωση καλύτερα από τα μέταλλα. Αντίθετα όμως είναι ψαθυρά και η επεξεργασία τους είναι αρκετά δύσκολη. Τα κεραμικά αποτελούν μια ενδιαφέρουσα κατηγορία για την βιοϊατρική αφού σε ειδικές συστάσεις και κρυσταλλική κατάσταση έχουν τη δυνατότητα να μετατραπούν σε βιοϋλικά με πολλές ιατρικές εφαρμογές όπως τη χρήση των κεραμικών φωσφορικού ασβεστίου στην ορθοπεδική και τη χρήση της πορσελάνης στην οδοντιατρική. ΜΕΤΑΛΛΑ Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα υλικά που χαρακτηρίζονται από λάμψη, υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, δυνατότητα σχηματισμού ελασμάτων (ελατά) και συρμάτων (όλκιμα). Τα περισσότερα, αλλά όχι όλα, έχουν μεγάλη πυκνότητα και είναι σκληρά και ανθεκτικά. Λόγω της υψηλής τους μηχανικής αντοχής και ανθεκτικότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εμφυτεύματα. Τα πιο γνωστά μέταλλα είναι το ανοξείδωτο ατσάλι, το τιτάνιο και τα κράματα αλουμινίου. Τα προβλήματα που παρουσιάζουν τα μέταλλα όταν χρησιμοποιούνται ως εμφυτεύματα είναι η εμφάνιση αλλεργικών αντιδράσεων λόγω των εμφυτευμάτων και η διάβρωση, όσο μικρή και αν είναι, μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή του εμφυτεύματος ή και πιθανά συμπτώματα δηλητηρίασης από βαρέα μέταλλα. ΠΟΛΥΜΕΡΗ Τα πολυμερή είναι υλικά που μπορούν να παρουσιάζουν παρόμοιες ιδιότητες με αυτές ενός οργανισμού. Είναι γενικά ανθεκτικά, ελαφριά, εύφλεκτα και λειτουργούν ως μονωτές. Διακρίνονται σε τρείς κατηγορίες τα φυσικά πολυμερή, τα συνθετικά πολυμερή και τα βιοπολυμερή. Η απορρόφησή τους από τον οργανισμό γίνεται αρκετά αργά, ενώ μπορούν να προκληθούν αλλεργικές αντιδράσεις από τη διάσπαση και απορρόφησή τους..2.3 ΒΙΟΕΝΕΡΓΑ ΥΛΙΚΑ Στη συγκεκριμένη εργασία ασχοληθήκαμε με τα βιοενεργά υλικά.τα βιοενεργά υλικά έχουν επιφάνεια η οποία μετασχηματίζεται στο περιβάλλον του σώματος με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται άμεση σύνδεση του υλικού με τον ανθρώπινο ιστό. Η παρασκευή των πρώτων βιοενεργών υλικών με σύσταση οξειδίων του πυριτίου, του ασβεστίου, του νατρίου και του φωσφόρου πραγματοποιήθηκε από τον Hench το 97 []. Από τότε, οι διαφοροποιήσεις που έγιναν στις συστάσεις και στους τρόπους παρασκευής τους έχει οδηγήσει σε μια μεγάλη ποικιλία βιοϋλικών, που χρησιμοποιούνται ήδη σε μια μεγάλη πληθώρα ιατρικών εφαρμογών. 5

17 Ως επίπεδο βιοενεργότητας των υλικών, ορίζεται ο χρόνος στον οποίο πάνω από το 50% της επιφάνειας του υλικού έχει αναπτύξει δεσμό με τους ιστούς []. Ο ρυθμός με τον οποίο γίνεται η σύνδεση των ιστών εξαρτάται κυρίως από την σύσταση και την μικροδομή των βιοϋλικών. Υπάρχουν δυο κατηγορίες βιοενεργών υλικών, τα βιοενεργά υλικά τύπου Α και τύπου Β. Ο διαχωρισμός τους γίνεται με βάση τον ρυθμό με τον οποίο ανταποκρίνονται οι ιστοί στο εμφύτευμα [5,2]. Τα υλικά τύπου Α (π.χ. βιοΰαλοι) συνδέονται με τα οστά και προάγουν την ανάπτυξη νέου ιστού μακριά από τη διεπιφάνεια υλικού /οστού, το οποίο συνδέεται και με τους μαλακούς ιστούς. Τα τύπου Α απελευθερώνουν Si με την μορφή πυριτικού οξέος λόγω ιοντοανταλλαγής και πλεγματικής διάλυσης, ενώ στη συνέχεια δημιουργείται ταχύτατα στρώμα σιλανολών το οποίο επιταχύνει την εναπόθεση άμορφου φωσφορικού ασβεστίου, το οποίο ακολούθως μετατρέπεται γρήγορα σε κρυσταλλικό στρώμα ανθρακικού υδροξυαπατίτη(hydroxyl-carbonated Apatite-HCAp) [24,3,4,5,6,7].Τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία περιοδοντικών ασθενειών για την κάλυψη οστεϊκών ατελειών κ.α..τα υλικά τύπου B ( όπως ο συνθετικός ΗΑ) παρουσιάζουν σύνδεση μόνο με οστικούς ιστούς. Τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται στην κάλυψη ατελειών των οστών εξαιτίας κυστών και για οστεϊκές συνδεσεις. Επίσης έχουν χαμηλό ή μηδενικό βαθμό ιοντοανταλλαγής Si ή πλεγματικής διάλυσης και σχηματίζουν απ ευθείας μόνο, στρώμα ανθρακικού υδροξυαπατίτη. Μέσω του σχηματιζόμενου επιφανειακού στρώματος HCAp, βιολογικά μόρια και πρωτεΐνες προσκολλώνται στην επιφάνειά τους, διαφοροποιώντας αρχέγονα μεσεγχυματικά κύτταρα που παράγουν εξωκυττάρια ουσία και κολλαγόνο, σχηματίζοντας ισχυρή διασύνδεση με τους ιστούς[8,9]..2.4 ΒΙΟΕΝΕΡΓΗ ΥΑΛΟΣ Ύαλοι με βιοενεργές ιδιότητες ονομάζονται βιοΰαλοι. Πρώτος ο Hench εισήγαγε την ιδέα της σύνθεσης κατάλληλων ύαλων, οι οποίες θα μπορούσαν να συνδεθούν σταθερά με τα οστά μέσω χημικών δεσμών που θα αποκαθίστανται στην διεπιφάνεια τους. Η ιδέα του οδήγησε στην ανάπτυξη μιας μεγάλης οικογένειας ύαλων αλλά και υαλοκεραμικών με βάση τη silica (SiO 2 ). Η πιο χαρακτηριστική ύαλος αυτής της κατηγορίας είναι το Bioglass(45S5). Η πρώτη βιοενεργή ύαλος κατασκευάστηκε από τον Hench το 97[]. Ήταν μια ύαλος, που μπορούσε να σχηματίσει δεσμούς με τους ιστούς του οστού και η οποία αποτελούνταν από τέσσερα συστατικά SiO 2, CaO, Na 2 O και P 2 O 5. Οι συστάσεις οι οποίες συνέβαλαν στο διαχωρισμό του παραπάνω γυαλιού από τα παραδοσιακά γυαλιά είναι: λιγότερο από 60% (σε mol) SiO 2, υψηλό ποσοστό Na 2 O και CaO και υψηλό λόγο CaO/P 2 O 5. Το υψηλό ποσοστό SiO 2 σε υάλους μειώνει το ρυθμό ανάπτυξης του δεσμού με τους ιστούς. Είναι χαρακτηριστικό πως καθώς το ποσοστό του οξειδίου του πυριτίου στην παραπάνω ύαλο γίνεται μεγαλύτερο από 60%, το επίπεδο βιοενεργότητας τείνει στο μηδέν. Η σχέση που συνδέει τη σύσταση της υάλου με το ρυθμό σχηματισμού των δεσμών, μπορεί να εκφραστεί με τον λόγο SiO 2 /[CaO+Na 2 O+P 2 O 5 ] [2]. 6

18 .2.4. BIOGLASS (45S5) Το Bioglass (45S5) αποτελείται από 46.% SiO 2, 26.9% CaO, 24.4% Na 2 O και 2.6% P 2 O 5 σε mol. Το Bioglass (45S5) αντιδρά σε υδάτινο μέσο και είναι βιοενεργό. Πολλές βιοενεργές ύαλοι βασίζονται στην σύσταση του 45S5, με συστάσεις στις οποίες υπάρχει 45% SiO 2 και λόγος CaO/P 2 O 5 5:. Aντίθετα γυαλιά στα οποία ο συγκεκριμένος λόγος είναι χαμηλότερος δε συνδέονται με τους ιστούς, ώστε να εμφανίζουν μειωμένη ή και καθόλου βιοενεργότητα. Υψηλή βιοδραστικότητα είναι το κύριο πλεονέκτημα του Bioglass (45S5), ενώ τα μειονεκτήματα του περιλαμβάνουν μηχανική αδυναμία και χαμηλή αντοχή σε θραύση. Η βιοενεργότητα ή μη ενός υλικού σχετίζεται με την ικανότητα ανάπτυξης στρώματος υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια του υλικού και από μορφολογικές παραμέτρους όπως η επιφάνεια, το μέγεθος των πόρων και ο όγκος των πόρων [22]. Στις βιοενεργούς υάλους που παρασκευάζονται από μείξη, τήξη και απότομη ψύξη των συστατικών τους, ο ρυθμός σχηματισμού υδροξυαπατίτη παρουσιάζει ισχυρή εξάρτηση από τον λόγο του SiO 2 προς το Να 2 Ο στην ύαλο [23]. Όταν η σύσταση της υάλου, που παρασκευάζεται με την τεχνική αυτή, περιέχει ποσοστό μεγαλύτερου του 60% σε SiO 2 το υλικό απορρίπτεται από τον οργανισμό επειδή δεν παρατηρείται σύνδεση με τους ιστούς. Η χαμηλή περιεκτικότητα σε Si και η παρουσία ιόντων Na στην ύαλο οδηγούν σε ταχύτατη ανταλλαγή ιόντων με πρωτόνια και ιόντα H 3 O που περιέχονται στα φυσιολογικά διαλύματα, όπως τα σωματικά υγρά. Λόγω της ιοντοανταλλαγής, δημιουργείται αλκαλικό ph στην επιφάνεια των βιοενεργών υαλοκεραμικών εμφυτευμάτων με τα υγρά του σώματος, γεγονός που οδηγεί στην πυρηνοποίηση και τελικά στην κρυστάλλωση οστικού ανθρακικού υδροξυαπατίτη (HCAp) στην επιφάνεια της υάλου. Το αναπτυσσόμενο οστικό στρώμα σχηματίζει δεσμούς με το κολλαγόνο, που παράγεται από τα κύτταρα των οστών σχηματίζοντας έναν ισχυρό διεπιφανειακό δεσμό ανάμεσα στο εμφύτευμα και τον ζωντανό ιστό []. Η δημιουργία σύνδεσης των βιοενεργών υάλων με τους ιστούς είναι αποτέλεσμα μιας σειράς αντιδράσεων που συμβαίνουν στην διεπιφάνεια επαφής με τους ιστούς. Αρχικά δημιουργείται ένα στρώμα πλούσιο σε Si, το οποίο στη συνέχεια καλύπτεται από ένα στρώμα πλούσιο σε Ca-P, ενώ το τελικό αποτέλεσμα είναι η κρυσταλλοποίηση του στρώματος Ca-P σε ανθρακικό υδροξυαπατίτη (HCAp). Το αναπτυσσόμενο αυτό στρώμα έχει μοριακή αναλογία Ca/P συνήθως <.67 που είναι η αναφερόμενη αναλογία του στοιχειομετρικού απατίτη, ο οποίος δεν εμφανίζεται στα βιολογικά συστήματα. Για τον λόγο αυτό, το στρώμα του ανθρακικού υδροξυαπατίτη, που αναπτύσσεται συγκαταλέγεται στους βιολογικούς απατίτες. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των βιολογικών απατιτών είναι: α. Παρουσιάζουν μικρούς κρυστάλλους με μικρή ομοιογένεια. β. Είναι μη στοιχειομετρικοί. γ. Προέρχονται από πρόδρομες μορφές ενώσεων Ca-P όπως άμορφες ενώσεις Ca-P, ACP ή φωσφορικό ασβέστιο OCP και δ. Είναι δυνατόν να περιέχουν στοιχεία και ιχνοστοιχεία που να είναι ενσωματωμένα στην κρυσταλλική μορφή ή συνδεδεμένα στην επιφάνεια των μικροκρυστάλλων τους. 7

19 Όταν το βιουλικό έρχεται σε επαφή με τα υγρά του σώματος, λαμβάνουν χώρα διεργασίες που έχουν ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη του απατίτη στην επιφάνεια του βιοϋλικού.οι διεργασίες αυτές περιλαμβάνουν πέντε στάδια: Στάδιο ο Αποαλκαλοποίηση της επιφάνειας με αποβολή κατιόντων (Na + ή Ca 2 + ) με Η + ή Η 3 Ο + από το διάλυμα όπως περιγράφεται παρακάτω: Si.O.Na + + H + +OH Si OH + Na + +OH Το στάδιο αυτό ελέγχεται από διεργασίες διάχυσης και παρουσιάζει χρονική εξάρτηση t -/2. Στάδιο 2 ο Μετακίνηση του Si με τη μορφή Si(OH) 4 στο διάλυμα, κάτι που οδηγεί στη διάσπαση των δεσμών Si-O-Si και σχηματισμός δεσμών Si-OH (σιλανόλες) στη διεπιφάνεια υάλουδιαλύματος. Si O Si + H 2 O Si OH + HO Si Το στάδιο αυτό πραγματοποιείται μέσω αντιδράσεων στην διεπιφάνεια και φαίνεται να είναι ανάλογο του χρόνου. Στάδιο 3 ο Συμπύκνωση και αναπολυμερισμός του Si(OH) 4, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός πυκνού στρώματος SiO 2 στην επιφάνεια της υάλου. OH OH OH OH HO Si OH HO Si OH HO Si O Si OH H O 2 OH OH OH OH Στάδιο 4 ο Μετακίνηση, μέσω του στρώματος SiO 2, ιόντων Ca + και PO 4-3, σχηματίζεται έτσι ένα άμορφο στρώμα ασβεστίου-φωσφόρου (CaO-P 2 O 5 ) πάνω από το στρώμα του SiO 2, με την συνεισφορά ασβεστίου και φωσφορικών και από το διάλυμα. Στάδιο 5 ο Κρυστάλλωση του άμορφου στρώματος CaO-P 2 O 5, μέσω της επίδρασης των ιόντων OH - και CO 3-2 από το διάλυμα. Τελικό αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός ενός στρώματος κρυσταλλικού ανθρακικού υδροξυαπατίτη, το οποίο αποτελεί φυσικό δομικό συστατικό των οστών. Η κρυστάλλωση του ένυδρου στρώματος CaO-P 2 Ο 5 φαίνεται να σχετίζεται με την βιοενεργότητα και για τον λόγο αυτόν ο σχηματισμός ενός βιολογικά ενεργού στρώματος υδροξυαπατίτη είναι προϋπόθεση για τη σύνδεση της υάλου με τους ιστούς. Ο γρήγορος ρυθμός σχηματισμού υδροξυαπατίτη που παρουσιάζει το Bioglass (45S5) αποδίδεται στην ύπαρξη του Na 2 O και άλλων αλκαλίων που περιέχονται στην σύσταση της υάλου. Η προσθήκη και άλλων ιόντων με διάφορα σθένη όπως αλουμινίου ή βορίου, 8

20 αν και σταθεροποιούν την υαλώδη δομή, εξουδετερώνοντας τα μη γεφυρωμένα οξυγόνα, έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση του ρυθμού σχηματισμού ανθρακικού υδροξυαπατίτη. Η αύξηση της συγκέντρωσης του Si σε ύαλο που προκύπτει από τήξη των συστατικών της, μειώνει τον ρυθμό διαλυτοποίησης. Αυτό οφείλεται στην μείωση του αριθμού των ιόντων που παίζουν ρόλο των τροποποιητών του δικτύου του πυριτίου της υαλώδους δομής, τα οποία χρησιμοποιούνται στην διάσπαση του δικτύου, με αποτέλεσμα την ταχύτερη καταστροφή του δικτύου. Μελέτες έδειξαν πως βιοενεργές ύαλοι που προέρχονται από τήγμα συστατικών, με συγκέντρωση μεγαλύτερη του 60% σε Si είναι βιολογικά ανενεργές [5] ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ BIOGLASS 45S5 Τα βιοενεργά υλικά διαθέτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, όπως το να χρησιμοποιούνται για να κατευθύνουν και να επιταχύνουν μηχανισμούς όπως η αναγέννηση κυττάρων μετά από διάφορες τραυματικές καταστάσεις, η παρεμπόδιση της απόρριψης εμφυτευμάτων που εφαρμόζονται σε μεγάλο αριθμό αποκαταστάσεων και πολλοί άλλοι. Το Bioglass 45S5 είναι το πιο διαδεδομένο από όλα και χρησιμοποιήθηκε σε μεγάλο εύρος κλινικών μελετών, στις οποίες περιλαμβάνονται ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρμογές. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε ως εμφύτευμα του μέσου ωτός. Δηλαδή προστέθηκε στο μεσαίο τμήμα του αυτιού προκειμένου να αποκατασταθεί πιθανή απώλεια ακοής. Όπως αναφέρθηκε έχει πολλές εφαρμογές στην οδοντιατρική, ως στοματικό εμφύτευμα στο σαγόνι ώστε να επιτευχθεί η αναδόμηση του οστού, η οποία ακολουθεί μετά την εξαγωγή των δοντιών. Επίσης το 45S5 είναι βιοσυμβατό με τον οργανισμό και έχει μελετηθεί για την ισχυρή σύνδεσή του με το οστό. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιείται ως μόσχευμα οστών. 9

21 .3 ΥΓΡΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ ΤΟΥ ΑΙΜΑΤΟΣ (SIMULATED BODY FLUIDS - SBF) Τα υλικά που παρουσιάζουν βιοενεργότητα, δηλαδή έχουν τη δυνατότητα σύνδεσης με οργανικό ιστό, δημιουργούν το δεσμό με τις επιφάνειες στις οποίες τοποθετούνται, με την ανάπτυξη επιφανειακού στρώματος υδροξυαπατίτη. Η βιοενεργότητα ενός υλικού αποδεικνύεται, τόσο in vitro όσο και in vivo. Οι έλεγχοι που πραγματοποιούνται επικεντρώνονται στη μελέτη των φυσικών, χημικών και μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών ώστε να διαπιστωθεί η καταλληλότητα ή μη της χρήσης τους σε ιατρικές εφαρμογές. Όσον αφορά τις τεχνικές in vitro, χρησιμοποιούνται υγρά που προσομοιώνουν το ανόργανο τμήμα του πλάσματος αίματος με παρουσία ή μη καλλιέργειας κυττάρων. Πιο συγεκριμένα το υλικό τοποθετείται στα υγρά που προσομοιώνουν το πλάσμα του αίματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η συγκέντρωση ιόντων και επομένως και το ph, να αλλάξουν με την πάροδο του χρόνου, δηλαδή όσο εξελίσσεται η ιοντοανταλλαγή της βιοϋάλου με το SBF. Αυτό συμβαίνει επειδή το αρχικό ph, η συγκέντρωση ιόντων και η θερμοκρασία έχουν σημαντική επίδραση στη διάλυση των βιοϋλικών[32]. Το γεγονός αυτό θα επηρεάσει τελικά το λόγο διάλυσης. Αν το ph ανέβει πάνω από μία κρίσιμη τιμή θα επέλθει κυτταροτοξικότητα [33]. Τα κυριότερα διαλύματα που έχουν χρησιμοποιηθεί για in vitro μελέτες είναι: i. Το tris buffer που αποτελεί ένα απλό αποστειρωμένο διάλυμα. ii. Το c-sbf το οποίο είναι ένα tris buffer διάλυμα αλλά με ιοντική συγκέντρωση παρεμφερή αυτής του πλάσματος αίματος, και iii. Tα a-mem και D-MEM τα οποία περιλαμβάνουν οργανικά αλλά και βιολογικά συστατικά του πλάσματος αίματος [34]..3. ΣYMBATIKO ΥΓΡΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ (c-sbf) Το πιο χρησιμοποιούμενο προσομοιωμένο υγρό της ανόργανης φάσης του πλάσματος του αίματος είναι το c-sbf( conventional-sbf) [35].Η τοποθέτηση ενός υλικού στο SBF, αλλά και κάθε υγρού προσομοίωσης, γίνεται με σκοπό τη μελέτη της αλληλεπίδρασης της επιφάνειας του με τα ιόντα του υγρού. Στους βιοϋάλους μελετάται η ανάπτυξη ή μη απατίτη, ο χρόνος έναρξης δημιουργίας του και ο ρυθμός ανάπτυξής του (βαθμός βιοενεργότητας). Η διαφορά μεταξύ του διαλύματος SBF με το πλάσμα του αίματος παρατηρείται στις ποσότητες των ιόντων Cl - και HCO -3. Στο c-sbf τα ιόντα Cl - είναι περισσότερα και τα ιόντα HCO -3 λιγότερα από αυτά του πλάσματος αίματος. Εφόσον ο απατίτης περιέχει ανθρακικά ιόντα, Οι διαφοροποιήσεις στη σύσταση του SBF επηρεάζουν τις διεργασίες ανάπτυξης απατίτη καθώς περιέχει ανθρακικά ιόντα. Επίσης επηρεάζεται ο χρόνος που 20

22 απαιτείται για να επιτευχθεί η ανάπτυξη του απατίτη, το πάχος του και η κρυσταλλικότητα του αναπτυσσόμενου στρώματος[36]. Μια ακόμη σημαντική παράμετρος που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τα in vitro πειράματα είναι και ο λόγος επιφάνειας υλικού προς όγκο του διαλύματος (SA/V). Όσο υψηλότερος είναι ο λόγος SA/V, τόσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός σχηματισμού του απατίτη στην επιφάνεια του υλικού και τόσο υψηλότερο θα είναι το τελικό ph του διαλύματος, συγκριτικά με μικρότερους λόγους SA/V [37].Συνέπως για τον έλεγχο της βιοενεργότητας είναι απαραίτητη η παρασκευή του c-sbf και η εμβάπτιση του υλικού σε αυτό..3.2 ΕΛΕΓΧΟΣ ΒΙΟΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑΣ ( BIOACTIVITY TEST) Όπως έχει αναφερθεί παραπάνω ως επίπεδο βιοενεργότητας των υλικών, ορίζεται ο χρόνος στον οποίο πάνω από το 50% της επιφάνειας του υλικού έχει αναπτύξει δεσμό με τους ιστούς. Ο ρυθμός με τον οποίο γίνεται η σύνδεση των ιστών εξαρτάται κυρίως από την σύσταση και την μικροδομή των βιοϋλικών. Το επίπεδο βιοενεργότητας δίνεται από της σχέση : Ι Β =0/t 0.5bb Όπου t 0.5bb ο χρόνος που απαιτείται για τη σύνδεση περισσότερο από το 50% της διεπιφάνειας του εμφυτεύματος με το οστό. Το 45S5 Bioglass παρουσιάζει μια τιμή του Ι Β μεγαλύτερη από 8 και μπορεί να συνδεθεί με μαλακούς και σκληρούς ιστούς [3]. 2

23 Κεφάλαιο 2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ 22

24 2..ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ FOURIER (FTIR, Fourier transform infrared spectroscopy) Η πιστοποίηση του υλικού έγινε με την φασματοσκοπία υπερύθρου. Αυτή η τεχνική χαρακτηρισμού των υλικών βασίζεται στην απορρόφηση υπερύθρου από κάποιο μέσο που εξετάζεται. Φωτόνια τέτοιας ενέργειας προκαλούν ταλαντωτικές και περιστροφικές κινήσεις στα μόρια. Στα φωτόνια που είναι ενεργά στο υπέρυθρο γίνεται άμεση σύζευξη διπολικής ροπής με το φως και έχουμε μετασχηματισμό φωτονίου σε φωτόνιο. Η φασματοσκοπική περιοχή διακρίνεται σε τρεις υποπεριοχές : το κοντινό υπέρυθρο (NIR) στο εύρος cm -, το μεσαίο υπέρυθρο (MIR) στο εύρος cm - και το μακρινό υπέρυθρο (FIR) στο φασματικό εύρος από 400-5cm -. Η φασματοσκοπία υπερύθρου βρίσκει πολλές εφαρμογές, οι κυριότερες από τις οποίες είναι η αναγνώριση ουσίων σε ένα δείγμα, ο ποιοτικός έλεγχος της παραγωγής της βιομηχανίας αλλά και η ανάλυση εγκληματολογικών στοιχείων. Η μέθοδος που έχει επικρατήσει να χρησιμοποιείται είναι η φασματοσκοπία με χρήση μετασχηματισμού Fourier. Πρόκειται για μια τεχνική μέτρησης για τη συλλογή των υπέρυθρων φασμάτων στην οποία αντί να καταγράφεται το ποσό της ενέργειας που απορροφάται για διαφορετικές συχνότητες της ακτινοβολίας, το φως IR οδηγείται στο δείγμα αφού πρώτα διαμορφωθεί μέσω ενός συμβολομέτρου. Αφού περάσει μέσα από το δείγμα, το μετρούμενο σήμα είναι το συμβολογράφημα. Η εκτέλεση μετασχηματισμού Fourier στο συμβολογράφημα έχει ως αποτέλεσμα ένα φάσμα όμοιο με εκείνο που παίρνουμε από τη συμβατική φασματοσκοπία διασποράς. Γενικά το FTIR μπορεί να παρέχει τις παρακάτω πληροφορίες: Μπορεί να εντοπίσει άγνωστα υλικά Μπορεί να καθορίσει την ποιότητα ή τη συνοχή του δείγματος Μπορεί να καθορίσει την ποσότητα των συστατικών σε ένα μείγμα Η φασματοσκοπία υπερύθρου FTIR έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Είναι μια μη καταστροφική τεχνική. Παρέχει μια ακριβή μέθοδο μέτρησης, η οποία βαθμονόμηση. δεν απαιτεί καμία εξωτερική Μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα, εκτελώντας μια σάρωση κάθε δευτερόλεπτο. Μπορεί να αυξήσει την ευαισθησία. Έχει μεγαλύτερη οπτική απόδοση σε σχέση με άλλες μεθόδους. 23

25 Είναι μηχανικά απλή με μόνο ένα κινούμενο μέρος. Ο λόγος του σήματος προς τον θόρυβο είναι μεγάλος. Παρουσιάζει μεγάλη σταθερότητα μήκους κύματος, ισχυρό σήμα εξόδου και μεγάλη ανάλυση (<0. cm - ) και δεν παρουσιάζεται δέσμη διασποράς. Εικόνα 4: Σχηματική απεικόνιση του φασματοσκοπίου FTIR 24

26 Κεφάλαιο 3 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 25

27 3. ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΒΙΟΥΛΙΚΟΥ Από τις πλέον πιο συνήθεις μεθόδους που εφαρμόζονται στην σύνθεση άμορφων υλικών είναι η μετατροπή σε πηκτή ή μέθοδος κολλοειδούς γέλης (sol-gel), η ταχεία ψύξη τηγμάτων ή παραδοσιακή τεχνική τήξης, καθώς επίσης η συμπύκνωση ατμών και η ακτινοβόληση κρυστάλλων με ακτίνες υψηλών συχνοτήτων [25,26]. Όσον αφορά τα πυριτικά γυαλιά συνήθως παρασκευάζονται με την μέθοδο ταχείας ψύξης τηγμάτων ή με την μέθοδο κολλοειδούς γέλης. Η παραδοσιακή μέθοδος τήξης αποτελεί μια από τις πλέον πιο χαρακτηριστικές διαδικασίες σύνθεσης πολυσυστατικών γυαλιών μεικτών αλκαλίων με σκοπό την ex vitro μελέτη τους για την διαδικασία σύνθεσης υδροξυαπατίτη [27-30]. Κατά την παραδοσιακή μέθοδο τήξης αρχικά συντίθεται ένα δείγμα κατάλληλης αναλογίας υπό την μορφή κόνεως (powder sample). Το δείγμα αυτό αποτελείται από σκόνη κρυσταλλικής πυριτίας και ενώσεις ανθρακικών, νιτρικών ή θειικών αλάτων οι οποίες περιέχουν στοιχεία όπως φώσφορος, ασβέστιο, μαγνήσιο, αλκάλια και αλκαλικές γαίες. Στην συνέχεια, τα συστατικά που αποτελούν το δείγμα κονιορτοποιούνται και τήκονται σε υψηλή θερμοκρασία, περίπου C. Με την διαδικασία αυτή, σχηματίζονται ενώσεις οξειδίων με θερμοκρασία τήξης χαμηλότερη της κρυσταλλικής πυριτίας (7 C). Tο γυαλί παραλαμβάνεται μετά από απότομη ψύξη του τήγματος ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις συνοδεύεται από κάποια θερμική διαδικασία ανόπτησης [25]. Συνοπτικά, η παραδοσιακή μέθοδος τήξης περιλαμβάνει τρία κύρια θερμικά στάδια.. Στο πρώτο στάδιο, απομακρύνεται όλη η ποσότητα του δεσμευμένου νερού, τυχόν οργανικές ενώσεις υφίστανται καύση, οξείδωση ή αποσύνθεση ενώ συγχρόνως συντελούνται οι περισσότεροι σχηματισμοί κρυστάλλων. Οι αντιδράσεις στερεάς κατάστασης έχουν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό νέων κρυσταλλικών φάσεων με ταυτόχρονη απελευθέρωση αερίων όπως νερό, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα και άζωτο. Κυρίαρχο χαρακτηριστικό αυτού του σταδίου είναι η απουσία κάθε μορφής τήγματος. 2. Στο δεύτερο στάδιο, οι αντιδράσεις τήξης οδηγούνται σε ισορροπία με αποτέλεσμα οι περισσότερες κρυσταλλικές φάσεις να διαλυτοποιούνται, να απομακρύνονται όλα τα αέρια και τελικά να οδηγούμαστε στην παρουσία τήγματος. Στο τέλος αυτού του σταδίου παρατηρείται ολόκληρο το μίγμα να έχει μετατραπεί σε τήγμα. 3. Το τρίτο στάδιο, περιλαμβάνει την ομογενοποίηση του τήγματος η οποία επιτυγχάνεται με την διαλυτοποίηση των στερεών ουσιών και την απομάκρυνση των φυσαλίδων που πιθανών έχουν εναπομείνει. Το Bioglass (45S5) παρασκευάστηκε με την παραδοσιακή μέθοδο τήξης. Τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή αυτών των γυαλιών πρέπει να πληρούν δύο συγκεκριμένες προϋποθέσεις:. Τα σημεία τήξης και διάσπασης που έχουν οι πρώτες ύλες πρέπει να βρίσκονται σε τέτοιο εύρος θερμοκρασιών ώστε να μπορεί να καλυφθεί από πρακτικής άποψης. 2. Εκτός του πυριτίου SiO 2, όλα τα υπόλοιπα αντιδραστήρια συμμετέχουν σε αντιδράσεις διάσπασης και συνεπώς τα παραπροϊόντα τους πρέπει να μπορούν να αποβληθούν υπό 26

28 την μορφή αερίων. Συνήθως, για την παρασκευή των γυαλιών χρησιμοποιούνται νιτρικά και ανθρακικά οξείδια με παραπροϊόντα την NH 3 και το CO 2. Για την σύνθεση του υλικού μας 45S5, αναμειγνύουμε 24.5% Na 2 0, 24.5% CaO, 6% P 2 Ο 5 και 45% SiΟ 2. Στη συνέχεια η σκόνη με τη σωστή αναλογία τοποθετήθηκε σε κάψα πλατίνας στο φούρνο υψηλής θερμοκρασίας στους 450 ο C για 4 ώρες. Μετά το πέρας των 4 ωρών η κάψα πλατίνας αφαιρέθηκε από το φούρνο υψηλών θερμοκρασιών και το υλικό χύνεται σε δοχείο με αποσταγμένο νερό, όπου πραγματοποιείται η απότομη ψύξη. Η διαδικασία μεταφοράς του υλικού στο δοχείο νερού πραγματοποιείται με πολύ προσοχή φορώντας ειδικά προστατευτικά γυαλιά και γάντια. Με την ψύξη του υλικού σε νερό σε θερμοκρασία δωματίου προκύπτει το επιθυμητό γυαλί. Στη συνέχεια η ύαλος που προέκυψε, τοποθετήθηκε στην υδραυλική πρέσα μέχρι να γίνει η κονιορτοποίηση, από όπου προκύπτουν τα συσσωματώματα του βιοϋλικού. Έπειτα το υλικό τοποθετήθηκε σε σφαιρόμυλο για 30 λεπτά στους 300r/min και πραγματοποιήθηκε κοσκίνιση ώστε να ληφθεί σκόνη κοκκομετρίας 20-40μm. Για την ταυτοποίηση του υλικού μας χρησιμοποιηθήκαν τα φάσματα διαπερατότητας FTIR. Για την λήψη των φασμάτων, χρησιμοποιήθηκε υλικό από τα δείγματα του 45S5 πριν και μετά την εμβάπτισή τους στο SBF. Παρασκευάστηκαν δισκία από βρωμιούχο κάλιο (KBr), το οποίο χρησιμοποιείται ως υπόβαθρο/αναφορά στο φασματοσκόπιο. Ποσότητα σε μορφή σκόνης από το βιοϋλικό, ομογενοποιήθηκε με ποσότητα KBr, σε αναλογια :0, σε ιγδίο από αχάτη. Μετά την ομογενοποίηση η σκόνη που προέκυψε τοποθετήθηκε σε υδραυλική πρέσα κενού σε πίεση έως 7 tons για τη δημιουργία δισκίου διαμέτρου 3mm. Τα δισκία που παρασκευάσθηκαν για τους διάφορους χρόνους εμβάπτισης τοποθετήθηκαν στο φασματοσκόπιο και λήφθηκαν τα αντίστοιχα φάσματα διαπερατότητας του υλικού Τα φάσματα διαπερατότητας λήφθηκαν με το FTIR φασματοσκόπιο Spectrum 00 της Perkin Elmer στην περιοχή του μεσαίου υπερύθρου, ΜΙR ( cm - ), με διακριτική ικανότητα (resolution) 4cm - και 32 σαρώσεις (scans) στον τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο τμήμα Φυσικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ). 3.2 ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΥΓΡΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΩΜΑΤΙΚΩΝ ΥΓΡΩΝ (c-sbf) Η παρασκευή του υγρού προσομοίωσης σωματικών υγρών (c-sbf) έγινε σύμφωνα με τη βιβλιογραφία [38]. Για την παρασκευή του c-sbf χρησιμοποιούμε τα παρακάτω συστατικά :. Δις-απεσταγμένο νερό ( ultra pure water) 2. Χλωριούχο νάτριο, NaCl 27

29 3. Όξινο ανθρακικό νάτριο, NaHCO 3 4. Χλωριούχο κάλιο, KCl 5. Όξινο φωσφορικό δικάλιο τριϋδρικό, K 2 HPO 4.3H 2 O 6. Χλωριούχο μαγνήσιο εξαϋδρικό, MgCl 2.6H 2 O 7. Υδροχλωρικό οξύ Ν, N-HCl (aq) 8. Χλωριούχο ασβέστιο διϋδρικό, CaCl 2.2H 2 O 9. Θειικό νάτριο, Na 2 SO 4. Τρις (υδροξυμεθυλικό) αμινομεθάνιο, Tris(hydroxymethyl) aminomethane NH 2 C(CH 2 OH) 3 Η τήρηση του πρωτοκόλλου παρασκευής του (c-sbf) είναι απαραίτητη. Τα παραπάνω συστατικά προστίθενται διαδοχικά στο διάλυμα με την παραπάνω σειρά προτεραιότητας. Για την παρασκευή L διαλύματος SBF, χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω όργανα : Ζυγός ακριβείας (4 δεκαδικά ψηφία του γραμμαρίου) Μαγνητικός αναδευτήρας (stirrer) Κωνική Φιάλη L Πεχάμετρο με ενσωματωμένο θερμόμετρο Ποτήρια Ζέσεως Πιπέτα ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕ ΠΟΣΟΤΗΤΕΣ: Αντιδραστήρια Πίνακας Ποσότητα NaCl g 2 NaHCO g 3 KCl g 4 K 2 HPO 4 3H 2 O g 5 MgCl 2. 6H 2 O 0.3 g 6.0 M-HCl 3 ml 7 CaCl g 8 Na 2 SO g 9 (CH 2 OH) 3 CNH 2 (TRIS) a Η 2 Ο g Τα σκεύη που χρησιμοποιήθηκαν, καθαρίστηκαν αρχικά με διάλυμα HCl, N, ακολούθως με ακετόνη και τελικά με δις-απεσταγμένο νερό. Το c-sbf που χρησιμοποιήθηκε παρασκευάστηκε ακολουθώντας την παρακάτω σειρά: 28

30 Σε ογκομετρική φιάλη L τοποθετούμε μέχρι τη μέση του δοχείου δις-απεσταγμένο νερό σε θερμοκρασία δωματίου. Στη συνέχεια η ογκομετρική φιάλη τοποθετήθηκε σε μαγνητικό αναδευτήρα και ξεκίνησε η συνεχής ανάδευση του διαλύματος. Ζυγίζουμε ένα, ένα τα 9 συστατικά παρασκευής και τα προσθέτουμε στη φιάλη με την σωστή σειρά για να μην δημιουργηθεί ίζημα και με τέτοιο τρόπο ώστε το κάθε συστατικό να διαλύεται πλήρως πριν προστεθεί το επόμενο. Κατά τη διάρκεια της αναμίξεως το διάλυμα διατηρήθηκε διαυγές. Έπειτα το διάλυμα θερμάνθηκε μέχρι τους 37 ο C και ρυθμίστηκε το ph του στο 7,4 με προσθήκη σταγόνων διαλύματος HCl, Ν (όποτε αυτό κρίθηκε απαραίτητο). Τέλος αφαιρέθηκε ο μαγνήτης με τη βοήθεια αλλού μαγνήτη και η ογκομετρική φιάλη τοποθετήθηκε στο ψυγείο ώστε να κρυώσει μέχρι τους 20 ο C. Μόλις το διάλυμα βρέθηκε στους 20 ο C, το SBF συμπληρώθηκε με δις-απεσταγμένο νερό μέχρι τη γραμμή του L. 3.3 ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΜΒΑΠΤΙΣΗ ΣΤΟ SBF Στη συνέχεια, αφού έχει παρασκευαστεί το SBF όπως αναφέρεται παραπάνω, εμβαπτίστηκε το υλικό στο SBF συνολικά για 6 διαφορετικούς χρόνους εμβάπτισης. Οι χρόνοι εμβάπτισης στο SBF είναι οι εξής:. 0 λεπτά 2. λεπτό 3. 2 λεπτά 4. 4 λεπτά 5. 8 λεπτά 6. 5 λεπτά λεπτά 8. ώρα 9. 3 ώρες. 6 ώρες. 9 ώρες 2. 2 ώρες 3. 8 ώρες ώρες 5. 3 μέρες 6. 6 μέρες 29

31 Η διαδικασία εμβάπτισης είναι η εξής: Πριν την εμβάπτιση των δειγμάτων στο c-sbf, αποστειρώθηκαν όλα τα μέσα που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα (δοχεία, πιπέτες, λαβίδες). Σε κάθε μπουκαλάκι τοποθετούνται 80 mgr 45S5 με κοκκομετρία μm και 54 ml SBF. Στη συνέχεια κάθε μπουκαλάκι τοποθετήθηκε στον επωαστήρα για τους αντίστοιχους παραπάνω χρόνους. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε υπό συνθήκες ανανέωσης του διαλύματος SBF, αφού έχει αναφερθεί πως η μέθοδος αυτή προσομοιώνει καλύτερα τις in vitro συνθήκες διατηρώντας σταθερή τη συγκέντρωση ιόντων και του ph του διαλύματος [42]. Για χρόνους μέχρι και 24 ώρες δεν χρειάζεται ανανέωση του SBF. Ανανέωση πραγματοποιείται μετά από 24 ώρες από την εμβάπτιση και ανά 48ώρες έπειτα. Έπειτα, αφού έχει περάσει ο αντίστοιχος χρόνος εμβάπτισης και έχει γίνει η ανανέωση του SBF όπου χρειάζεται. Το μπουκάλι αφαιρείται από τον επωαστήρα και πραγματοποιείται διήθηση των περιεχομένων. Με τον τρόπο αυτό γίνεται ο διαχωρισμός μεταξύ του SBF και του 45S5, αφού το διηθητικό χαρτί συγκρατεί τους κόκκους του 45S5. Μετά την έξοδό τους από το c-sbf, όλα τα δείγματα αφέθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου για 24 ώρες ώστε να απωλέσουν τη περίσσεια υγρασίας. 30

32 Κεφάλαιο 4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3

33 4. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η πειραματική διαδικασία της παρούσας πτυχιακής εργασίας περιλαμβάνει τρία στάδια. Α. Αρχικά εκτελέστηκε το στάδιο της εμβάπτισης, κατά την οποία όπως αναλύθηκε διεξοδικά σε προηγούμενο κεφάλαιο το Bioglass 45S5, αφού κατασκευάστηκε με την παραδοσιακή τεχνική της τήξης και απέκτησε την κατάλληλη κοκκομετρία 20-40μm, εμβαπτίστηκε στο SBF( simulated body fluid) για τους παρακάτω χρόνους (t) και υπό συνθήκες ανανέωσης. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται οι χρόνοι εμβάπτισης του Bioglass 45S5 στο SBF. Πίνακας 2 Χρόνος (t) 0 minutes minute 2 minutes 4 minutes 8 minutes 5 minutes 30 minutes hour 3 hours 6 hours 9 hours 2 hours 8 hours 24 hours 3 days 6 days Για την πραγματοποίηση της εμβάπτισης ήταν απαραίτητο και η παρασκευή του SBF (simulated body fluid) ) το οποίο όπως έχει ήδη αναφερθεί είναι ένα υγρό που προσομοιάζει τα υγρά του σώματος, συμφώνα με τη βιβλιογραφία. Β. Το δεύτερο στάδιο της πειραματικής διαδικασίας περιλαμβάνει την ταυτοποίηση του υλικού με τα φάσματα διαπερατότητας (FTIR, Fourier transform infrared spectroscopy). Για την παρατήρηση των φασμάτων διαπερατότητας, κατασκευάστηκαν χάπια για διάφορους χρόνους εμβάπτισης με βρωμιούχο κάλιο (ΚΒr) σε πρέσα με φορτίο 7 τόνων. Τα χάπια έχουν πάχος 3 mm και αναλογία υλικού, βρωμιούχου καλίου :0. Τα φάσματα διαπερατότητας λήφθηκαν με το FTIR φασματοσκόπιο Spectrum 00 της Perkin Elmer στην περιοχή του μεσαίου υπερύθρου,μιr ( cm - ), με διακριτική ικανότητα (resolution) 4cm - και 32 σαρώσεις (scans) στον τομέα Φυσικής Στερεάς 32

34 Κατάστασης στο τμήμα Φυσικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ). Γ. Το τρίτο και τελευταίο στάδιο της πειραματικής διαδικασίας περιλαμβάνει τις μετρήσεις της θερμοφωταύγειας (ΤL, Thermoluminescence). Σε αυτό το στάδιο δισκία με σκόνη του Bioglass 45S5 εμβαπτισμένου στο SBF για του χρόνους που αναφέρονται στον παραπάνω πίνακα ακτινοβολήθηκαν και θερμάνθηκαν διαδοχικά από όπου προέκυψαν οι αντίστοιχες φωτοκαμπύλες. 4.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ FOURIER (FTIR, Fourier transform infrared spectroscopy) Διαπερατότητα Για τον χαρακτηρισμό του Bioglass ( 45S5) χρησιμοποιήθηκε η φασματοσκοπία FTIR. Η μελέτη αυτή ακολουθήθηκε προκειμένου να πραγματοποιηθεί η ταυτοποίηση του πυριτικού υαλώδους δικτύου, η παρουσία του φωσφόρου, καθώς και των αλκαλίων και των αλκαλικών γαιών. Η σκόνη του αρχικού υλικού αλλά και η σκόνη που προέκυψε έπειτα από την εμβάπτιση του υλικού στο SBF για διάφορους χρόνους, χρησιμοποιήθηκε για φασματοσκοπικές μετρήσεις διαπερατότητας (Transmittance) FTIR, στην περιοχή από cm - (MIR). Τα φάσματα που ελήφθησαν φαίνονται στα παρακάτω διαγράμματα. Διάγραμμα : Φάσματα διαπερατότητας για 30 λεπτά 0,3,9,24 ώρες και 3 μέρες. 33