Straturi Subțiri Nanostructurate Obținute Prin Tehnici

Download Straturi Subțiri Nanostructurate Obținute Prin Tehnici

Post on 29-Jan-2016

110 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<ul><li><p>i </p><p>UNIVERSITATEA DIN BUCURETI </p><p>FACULTATEA DE FIZIC </p><p>______________________________________________________________________ </p><p>STRATURI SUBIRI NANOSTRUCTURATE OBINUTE PRIN TEHNICI </p><p>LASER PULSATE AVANSATE PENTRU VINDECAREA RAPID I </p><p>REGENERAREA ESUTURILOR OSOASE ______________________________________________________________________ </p><p>-Rezumat- </p><p>Tez susinut de: </p><p>Anita Ioana GHI (VIAN) </p><p>Pentru a obine titlul de: </p><p>Doctor n Fizic </p><p>Conductor tiinific </p><p>Prof. Dr. Ion N. MIHILESCU </p><p>Bucureti, 2015</p></li><li><p> 2 </p><p>INVITAIE </p><p>....................................................................................................................................................... </p><p>SUNTEI INVITAT() N DATA DE 22 MAI 2015, ORA 11, N AMFITEATRUL A1 AL FACULTII DE FIZIC, S PARTICIPAI LA SUSINEREA PUBLIC A TEZEI DE DOCTORAT CU TITLUL: </p><p>STRATURI SUBIRI NANOSTRUCTURATE OBINUTE PRIN TEHNICI </p><p>LASER PULSATE AVANSATE PENTRU VINDECAREA RAPID I </p><p>REGENERAREA ESUTURILOR OSOASE </p><p> Anita Ioana GHI (VIAN) </p><p>Comisia este format din: </p><p>Preedinte: Prof. Univ. Dr. tefan ANTOHE Director coala Doctoral de Fizic, Facultatea de Fizic, Universitatea din Bucureti </p><p>Conducator stiintific: Prof. Dr. Ion N. MIHAILESCU INCDFLPR si Facultatea de Fizic, Universitatea din Bucureti </p><p>Membri: </p><p> Conf. Univ. Dr. Sorin CIUC Universitatea Politehnica Bucureti, </p><p> Prof. Dr. David GROSSIN ENSIACET, Universitatea din Toulouse, </p><p>Franta </p><p> Prof. Dr. Djordje JANACKOVIC Facultatea de Tehnologie i Metalurgie, Universitatea din Belgrad, Serbia </p></li><li><p> 3 </p><p>CUPRINSUL LUCRRII </p><p>1. CONSIDERAII INTRODUCTIVE 4 </p><p>2. BIOMATERIALE INVESTIGATE N TEZ 7 </p><p>3. METODE I INSTALAII UTILIZATE PENTRU SINTEZA I CARACTERIZAREA DE FILME SUBIRI NANOSTRUCTURATE </p><p>10 </p><p>4. REZULTATE I DISCUII 26 </p><p>5. CONCLUZII I PERSPECTIVE 57 </p><p>6. LISTA CONTRIBUIILOR PROPRII 61 </p><p>7. BIBLIOGRAFIE </p><p>68 </p></li><li><p> 4 </p><p>CAPITOLUL 1 : CONSIDERAII INTRODUCTIVE </p><p>Scopul i obiectivele tezei </p><p>Un domeniu n care s-a investit i se investete n prezent foarte mult este Ingineria Tisular. Se are n vedere gsirea de soluii pentru operaiile de refacere sau nlocuire a esuturilor osoase bolnave sau vtmate utiliznd diverse dispozitive protetice care prezint proprieti antimicrobiene. </p><p>Proiectul de doctorat a constat n fabricarea prin tehnici laser avansate de straturi </p><p>subiri nanostructurate cu proprieti antimicrobiene n vederea vindecrii i regenerrii esutului osos. n lucrare este prezentat sinteza i caracterizarea a trei tipuri de implanturi bioactive cu proprieti antimicrobiene pe baz de hidroxiapatit (HA) att pe substraturi simple de titan ct i pe substraturi modificate cu nanotuburi de dioxid de titan , n vederea funcionalizrii implanturilor metalice medicale. n ultimele decenii s-au adus mbuntiri simplelor proteze medicale metalice prin acoperirea implanturilor cu filme subiri antimicrobiene care previn infeciile care determin desprinderea implanturilor de os [Epinette J-A.et. al. 2004; Leon, Betty, 2009]. Filmele subiri bioactive nanostructurate au vizat n special modificarea proprietilor mecanice ale biomaterialelor studiate n sensul ntririi structurii matriceale i totodat a creterii rezistenei antimicrobiene i antifungice, pstrnd n acelai timp o citotoxicitate scazut i avnd aplicaii n nlocuirea i/sau reconstrucia de esuturi [Dorozhkin, Sergey V, 2009; Dorozhkin, Sergey V, 2010]. Principalul element de noutate din studiile noastre a fost dezvoltarea de implanturi funcionale biomimetice bioactive. n mod concret s-a vizat obinerea de straturi subiri de apatit biomimetic resorbabil ce prezint o reactivitate crescut n momentul contactului cu esutul osos adiacent sau cu lichidele fiziologice. </p><p>Stadiul actual i importana cercetrii </p><p>Una dintre cele mai mari provocri n medicina modern este eecul implantrii sau pierderea esutului cauzat de leziuni sau boli, ceea ce duce la reducerea calitii vieii pacienilor. Lipsa de esuturi donatoare disponibile a inspirat deschiderea unui nou domeniu interdisciplinar, care este o combinaie ntre tiina materialelor, fizic, chimie i biologie i este denumit "inginerie tisular". n acest domeniu, medici i ali cercettori lucreaz mpreun pentru a repara sau nlocui esutul deteriorat sau nesntos, precum i pentru a stimula creterea i funcia de noi esuturi sntoase. Osul, spre deosebire de multe alte esuturi din organism, are capacitatea excepional de a se vindeca. Cu toate acestea, n cazurile n care propria capacitate de regenerare a esutului nu este suficient, vindecarea oaselor i creterea osoas poate fi mbuntit prin diferite abordri de inginerie tisular. Prin utilizarea biomaterialelor specifice n combinaie cu molecule bioactive, antimicrobiene, este posibil stimularea i consolidarea propriilor mijloace regenerative ale corpului ntr-un mod similar cu procesele de remodelare i formare a osului natural. </p><p> n aceast tez, sunt abordate 2 tehnici laser de acoperire i funcionalizare a implanturilor, respectiv : Depunere Laser Pulsat (PLD) i Evaporarea Laser Pulsat Asistat Matriceal (MAPLE). Abordrile implementate pentru acoperirea implanturilor, precum i modul n care diferitele biomateriale studiate n proiectul doctoral sunt interconectate, sunt descrise n Figura 1.1. Prima tematic, adresat n tez, este integrarea nerecorespunztoare os /implant, cauzat de natura slabei legturi dintre suprafaa de titan i fosfaii de calciu, n spe hidroxiapatita (HA) n implantul utilizat n mod obinuit. </p></li><li><p> 5 </p><p> Figura 1.1. Diagrama privind organizarea tezei i ncadrarea temei proiectului n </p><p>domeniul actual al cercetrii </p><p>Organizarea Tezei </p><p>Studiile privind obinerea prin tehnicile PLD i MAPLE de acoperiri bioactive, biometice i antimicrobiene au fost iniiate n Romania, la Institutul Naional pentru Fizica Laserilor, Plasmei i Radiaiei (INFLPR), n Secia Laseri, Laboratorul Interaciuni Laser-Suprafa-Plasm (ILSP), dar i n cadrul unor colaborri cu Facultatea de Tehnologie i Metalurgie a Universitii din Belgrad, Serbia i Laboratorul CIRIMAT, Ensiacet, Toulouse, Frana. Dup identificarea regimurilor experimentale optime de depunere pentru fiecare biomaterial, filmele subiri obinute au fost analizate din punct de vedere al proprietilor fizice, chimice i mai ales al comportamentului biologic. Prin colaborare cu institute specializate s-au efectuat analize de culturi celulare i teste antimicrobiene pentru a evalua performanele biofuncionale ale implanturilor i asigurarea integritii structurale a oaselor n reconstrucie. </p><p>Teza este structurat in cinci capitole: </p><p>(i) Capitolul 1: Consideraii introductive n care se descrie stadiul actual al cercetrii i organizarea tezei </p><p> (ii) Capitolul 2: Biomateriale investigate n tez descrie proprietile i aplicaiile biomaterialelor folosite n cercetrile experimentale: Am abordat n acest sens trei tipuri de materiale: </p><p>- apatita biomimetic. Dup cum se tie, compoziia real a apatitelor care sunt prezente n osul uman este deficitar n Ca, dar conine muli ali ioni i oligoelemente. n acest context se introduc noile materiale obinute prin metoda de co-precipitare, constituite din </p></li><li><p> 6 </p><p>nanocristale similare celor prezente n osul uman. O meniune important privete temperatura de sintez i se arat c lucrul la o temperatur scazut permite pstrarea dimensiunii nanocristalelor ntr-un domeniu rezonabil. Aceast abordare mpreun cu alte condiii de lucru constituie originalitatea metodei de sintez a biopulberilor folosite n lucrare i utilizate n lucrrile autoarei. </p><p>- hidroxiapatita dopat cu argint a permis obinerea unor filme hibride nanostructurate cu proprieti antibacteriene mpotriva C Albicans i A Niger. n cadrul tezei s-au efectuat studii privind alegerea concentraiei celei mai potrivite de Ag n HA care s asigure n acelai timp o aciune antimicrobian maxim dar i lipsa oricrei activiti toxice asupra celulelor mezemchimale cultivate, adic a celulelor din esuturile ce nconjoar implantul metalic acoperit. </p><p>- hidroxiapatita dopat cu lignin ce formeaz filme cu activitate antimicrobian, n contextul gsirii de soluii de combatere a agenilor patogeni fr a se recurge la antibiotice. </p><p>(iii) Capitolul 3 Metode i instalaii utilizate pentru sinteza i caracterizarea de filme subiri nanostructurate descrie metodele de obinere i regimurile de lucru optimizate pentru realizarea implanturilor metalice dezvoltate. Se introduc elemente de </p><p>principiu ale metodelor de depunere cu laser n pulsuri, avantajele acestora, schemele </p><p>instalaiilor. De asemenea, se enumer succint, pentru fiecare caz n parte, metodele i instalaiile de caracterizare ale straturilor subiri obinute. </p><p>(iv) Capitolul 4 Rezultate i discuii este nucleul lucrrii i conine contribuiile originale ale autoarei n domeniul interaciunilor laser i aplicaiilor acestora. Se discut pe rnd compoziiile de apatit biomimetic, hidroxiapatit dopat cu argint i respectiv hidroxiapatita dopat cu lignin. n primul caz scopul vizat a fost obinerea unor straturi subiri ct mai apropiate de compoziia, structura i morfologia osului uman. n celelalte dou cazuri s-a vizat doparea hidroxiapatitei, principala component inorganic a osului uman, cu materiale inorganice (Ag) i respectiv organice (lignina) cu aciune terapeutic demonstrat, n combaterea eficient a microbilor. Este de subliniat faptul c cercetrile din teza acoper o gam larg de compui apatitici i abordeaz o linie foarte modern n care se atinge o apropiere ct mai mare de organele vizate i n final de pacient, simultan cu asigurarea unei protecii active i stabile mpotriva contaminrii cu bacterii i fungi. Se prezint principalele rezultate i caracteristici ale structurilor obinute i corelarea acestora cu condiiile experimentale specifice fiecrui caz analizat; </p><p>(v) Capitolul 5 final al tezei, Concluzii i Perspective cuprinde rezumatul contribuiilor i rezultatelor originale ale lucrrii. </p><p>La finalul lucrrii se regsesc anexate referinele bibliografice p r e c u m i copii ale articolelor relevante pentru subiectul tezei. </p></li><li><p> 7 </p><p>CAPITOLUL 2: BIOMATERIALE INVESTIGATE N TEZ </p><p>Biomaterialele studiate n lucrare permit mbuntirea implanturilor osoase convenionale prin depirea limitrilor materialelor individuale i imitarea structurii esuturilor calcificate, prevenind totodat infeciile microbiene ce pot aparea [Thomson, R.C. et al. 1998; Boccaccini A.R.et al, 2005]. </p><p>Prin folosirea tehnicilor laser de fabricare a implanturilor, se creeaz straturi puternic aderente, iar aceste construcii vor oferi o mai mare suprafa de adeziune celular direct i chiar mai multe orientri de cretere a celulelor. Se asigur astfel o stabilitate mecanic minim pentru a sprijini creterea celular iniial i se ofer totodat o ancor ncurajnd esutul s se regenereze la locul implantrii. </p><p>Biomaterialele folosite n aceast tez sunt biomateriale de generaia a 4-a i au fost sintetizate i procesate sub form de filme subiri pentru aplicaii n ingineria tisular. Principalul avantaj al biomaterialelor pe baz de apatite nanocristaline este similitudinea lor cu mineralele coninute n os. Aceste nanocristale pot avea caracteristici foarte diferite care se regsesc n diferenele mari dintre ratele de resorbie. Apatitele non-stoichiometrice au capacitatea de a se matura ca osul mineral, i pot evolua dup mbtrnire spre compui mai stabili i mai puin solubili. Astfel, o schimbare a solubilitii poate s apar, n timp, i rata de bioresorpie poate s scad. Aceste evoluii i alterri ale compoziiei nanocristalelor cu timpul de implantare nu au fost studiate extensiv, dar sunt eseniale pentru nelegerea comportamentului de degradare. Dei, nanocristalele sunt formate din apatite analoage osului mineral, degradarea materialelor pe baz de apatite biomimetice poate, s produc particule mici, care induc o reacie inflamatorie locala. Din cauza acestor impedimente, s-a recurs la doparea HA cu argint, ca agent antibacterian cu rolul de a inhiba adeziunea bacterian, i de a preveni infeciile asociate implantrii. Pe lng activitatea antimicrobian, s-a descoperit recent c argintul reduce eliberarea de citocine (Guidelli et al. 2011a), scderea limfocitelor i infiltrarea mastocitelor i induce de asemenea apoptoz celulelor inflamatorii (Chaloupka et al. 2010a). Aceste caracteristici ale argintului sunt responsabile pentru efectul anti-inflamator </p><p>i contribuie la accelerarea epitelizrii cu peste 40% i, n consecin, accelerarea vindecrii rnilor (Lu F.C.et al, 1997). Am cutat un alt agent antimicrobian alternativ (Lignina), care sa poat lucra singur sau n sinergie cu argintul care este agent antimicrobian recunoscut. n conformitate cu principiile terapiei cu antibiotice, n care riscul rezistenei microbiene fa de un medicament este redus la minimum prin utilizarea combinaiilor antibioterapeutice, am propus o nou abordare, n care dou substane antimicrobiene sunt folosite pentru a evita dezvoltarea rezistenei microbiene i pentru a maximiza aciunea acestora. n lucrare, accentul este pus pe acoperirile bioactive compozite cu proprieti antimicrobiene hidroxiapatit-argint-lignin, ce constituie principalul subiect i element de noutate. O alt inovaie prezent n aceast lucrare este funcionalizarea suporilor de depunere utilizai n cadrul experimentelor. Ceramicile pe baz de fosfat de calciu (CaP) sunt n prezent cele mai utilizate biomateriale n </p><p>scopul acoperirii implanturilor metalice cu o osteoconductivitate i bioactivitate crescute i cu efecte pozitive asupra accelerrii procesului de biointegrare i reparare a tesutului osos. [Nelea V. et al 2006].Studii recente au artat c bioapatitele care sunt prezente efectiv n organismul uman sunt bioactive i n majoritate non stoichiometrice . Partea mineral a osului este, de fapt, o apatit hidratat cu deficit de calciu i o cristalinitate redus, cu substituii de ioni minerali. n mod concret Na </p><p>+, Mg</p><p>2 + substituie ionii de Ca</p><p>2 +; (CO3) </p><p>2 - i ionii de (HPO4) </p><p>2 - substituie pe cei de fosfat . Ionii (CO3) </p><p>2 -, Cl</p><p>-i F- nlocuiesc pe cei de hidroxil, i sunt </p></li><li><p> 8 </p><p>prezente oligoelemente precum (Zn, Al, Sr) [Surmenev R.A.,et al 2012a; Leon B., et al 2009; </p><p>Duta, L. et al 2013]]. Importante eforturi de cercetare s-au concentrat asupra sintezei de </p><p>materiale pe baz de bioapatit ct mai aproape posibil de compoziia i structura osului uman, i asupra transferului lor congruent stroniu [Mroz, W.et al 2010; Gyorgy, E.et al 2004; Capuccini, C. et al 2008] pe suprafaa implanturilor metalice. Diferite metode de depunere i dopaje au fost folosite n ncercarea de a obine o structur apatitic adecvat. Astfel, amintesc: depunerea laser pulsat de apatite dopate cu magneziu, mangan sau stroniu [11-13], pulverizare magnetron a filmelor subiri de HA carbogazoas de tip B [Sima L.E.,et al 2010a], sau electrodepuneri de HA co-dopat cu mangan, stroniu sau fluor [Huang, Y.et al 2013]. </p><p>O dificultate major ntmpinat n mai multe studii de depunere fizic este natura foarte deshidratat a filmelor de HA fabricate (n contrast cu faza mineral efectiv din osul uman), din cauza condiiilor de vid din timpul procesului de depunere si a temperaturilor ridicate, sau volatilitatii OH</p><p>-. Tehnicile de depunere chimic pot depi acest neajuns, dar conduc, n general, la filme cu aderen sczut [Hi...</p></li></ul>