velikost textu

The biocompatibility and potential cytotoxicity of materials for joint replacement manufacturing and coating

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
The biocompatibility and potential cytotoxicity of materials for joint replacement manufacturing and coating
Název v češtině:
Biokompatibilita a potenciálna cytotoxicita materiálov na výrobu a pokrývanie totálnych endoprotéz
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Ivana Kopová
Školitel:
MUDr. Lucie Bačáková, CSc.
Oponenti:
RNDr. Marie Hubálek Kalbáčová, Ph.D.
RNDr. Pavla Jendelová, Ph.D.
Id práce:
84556
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra genetiky a mikrobiologie (31-140)
Program studia:
Molekulární a buněčná biologie, genetika a virologie (P1519)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
15. 12. 2016
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
Abstrakt V súčasnosti používané totálne endoprotézy kĺbov majú niekoľko nedostatkov vrátane príliš veľkej tuhosti kovového materiálu, nedostatočnej integrácie implantátu do kosti a vysokej miery opotrebovania či korózie. To má za následok úbytok kostnej hmoty a následné aseptické uvoľnenie protézy s nutnosťou ďalšieho chirurgického zákroku. Nepostačujúce mechanické vlastnosti súčasných ortopedických zliatin rieši táto práca vývojom novej beta-titánovej zliatiny s konečným zložením Ti-35Nb-7Zr-6Ta-2Fe-0,5Si, ktorá má relatívne nízky modul pružnosti (do 85 GPa), vysokú pevnosť v ťahu (850 MPa) a vylepšenú biokompatibilitu, ako aj osteokonduktivitu. Vzhľadom k všeobecne nízkej osteoinduktivite kovových implantátov sa vyvíjajú rôzne povrchové úpravy a vrstvy pre zlepšenie interakcie buniek s materiálmi, ako napríklad vrstvy na báze uhlíka. Fullerénové vrstvy sa zdajú byť sľubným kandidátom na pokrývanie ortopedických implantátov vzhľadom k ich ochranným anti-oxidačným vlastnostiam. Hoci čerstvé C60 vrstvy tlmili adhéziu a rast buniek, žiadne známky bunkovej toxicity ani poškodenia DNA neboli nájdené. Sledovaná biokompatibilita fullerénových C60 filmov sa výrazne zlepšila s pribúdajúcim vekom vrstiev alebo s ko-depozíciou fullerénových molekúl s atómami titánu. Vysvetlenie spočíva v chemicko-fyzikálnych zmenách ako sú fragmentácia, oxidácia, polymerácia a grafitizácia fullerénových molekúl, ku ktorým dochádzalo v oboch spomínaných procesoch. Na minimalizáciu opotrebovania a korózie Co-Cr-Mo zliatiny sme použili uhlíkovú DLC (diamond-like-carbon) vrstvu s medzivrstvou titánového gradientu na zlepšenie priľnutia DLC vrstvy ku kovovému substrátu. Analýza opotrebenia po 3 miliónoch záťažových cykloch so zvyšujúcou sa silou do 2,5 kN neodhalila žiadny viditeľný oter alebo odlupovanie DLC vrstvy. Vyhodnotenie získanej oterovej suspenzie nepreukázalo cytotoxicitu prípadných vznikajúcich oterových častíc. V poslednom projekte tejto práce sme skonštruovali biokompatibilný, plne priehľadný, diamantový biosenzor so širokým rozpätím použiteľných frekvencií na neinvazívne sledovanie kultivácie buniek v reálnom čase. Hlavnou výhodou tohto senzora je jeho optická priehľadnosť, ktorá umožňuje mikroskopické pozorovanie živých buniek a široký frekvenčný rozsah snímača umožňujúci sledovanie rôznych bunkových procesov.
Abstract v angličtině:
Abstract Currently used prostheses for total joint replacement still have numerous disadvantages: extreme stiffness or elastic modulus of the bulk metallic material; insufficient integration of the implant into the host bone; and a high wear and corrosion rate, which causes an accumulation of mostly metallic or polymeric wear debris. Because of these reasons, many patients experience increasing local pain, swelling, allergic reactions, and inflammation resulting in bone loss and the aseptic loosening of the implant leading to the need for painful and expensive revision surgery. To address the mechanical issues of commonly used orthopaedic alloys, this thesis presents the development of the new β-type titanium alloy Ti-35Nb-7Zr-6Ta-2Fe-0.5Si with a relatively low elastic modulus (up to 85 GPa), increased tensile strength (880 MPa), and enhanced biocompatibility and osteoconductivity. Considering the generally low osteoinductivity of metallic implants, various surface modifications and coatings have been developed to improve the cell-material interaction, e.g. carbon-based coatings. Among these coatings, C60 fullerene layers have emerged as a great candidate for coating orthopaedic implants due to their therapeutic potential in arthritis. The potential cytotoxicity and DNA damage response of fullerenes have been evaluated. Although the fresh C60 coating has attenuated the adhesion and proliferation of cells, no DNA damage or signs of cytotoxicity have been found. The biocompatibility of C60 films has improved with the increasing age of these films or by co-deposition of C60 molecules with Ti atoms, thanks to changes in their physicochemical properties (such as fragmentation, oxidation, polymerization and graphitization). In order to minimize the wear and corrosion of the Co-Cr-Mo alloy, the diamond-like-carbon (DLC) coating of this alloy with a titanium gradient adhesive interlayer has been used. The wear analysis has revealed no visible wear or delamination of the DLC coating after 3 million cycles of increasing loading force of up to 2.5 kN. Moreover, no proof of any cytotoxicity of the potential wear debris has been found. In the last project of this thesis, a biocompatible, fully optically transparent diamond-based planar biosensor for the non-invasive (label-free), real-time monitoring of cell cultivation has been successfully invented. The main advantage of this sensor is its transparency, which enables microscopic native cell observation and the wide frequency range of the sensor allowing the detailed study of different cellular processes.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Ivana Kopová 40.75 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Ivana Kopová 50 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Ivana Kopová 34 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Mgr. Ivana Kopová 533 kB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. Marie Hubálek Kalbáčová, Ph.D. 84 kB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. Pavla Jendelová, Ph.D. 147 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 697 kB