SUPERVISOR
Mahshid Kharaziha-esfahani,Sheyda Labbaf
مهشید خرازیهای اصفهانی (استاد راهنما) شیدا لباف (استاد راهنما)
STUDENT
Narges Ahmadi Khoie
نرگس احمدی خوئی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
characterization of (Ba-Ca)TiO3nanopowder and its application in polyvinylidene Fluoride- poly-vinyl alcohol fibrous scaffold for bone tissue engineering
Restoration of bone defects and bone remodeling is one of the most important challenges in the present era. Bone tissue engineering is one of the best choices for the reconstruction of bone tissue. Nowadays, the use of intelligent materials such as piezoelectric ones to accelerate the process of bone defect healing through prouducing electrical pulses in tissue engineering is increasing. The purpose of the present study was to produce and characterize a poly (vinylidine fluoride-poly-vinyl alcohol barium-calcium titanate fibrous scaffold. In this regard, the nanopowders of barium-calcium titanate containing 0%, 10%, 20%, 40% and 100% molar calcium were synthesized by sol-gel method.Through using X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy, Raman test and X-ray diffraction spectroscopy, calcium replacement was confirmed in the structure. Due to the presence of calcium in the structure at more than 10% concentratins secondary calcium titanate phase along with barium titanate with reduction of crystallite size and grain size were observed. The electrical behavior of the particles was also investigated through considering the dielectric constant of each samples. Also bioactivity of synthesized samples were evaluated by immersion in simulated body solution. In addition, the effect of the amount of calcium in the barium titanate structure, on the behavior of MG63 cells was investigated. The results of the MTT test showed that replacing calcium ions in the structure of barium titanate for more than 20% could increase the compatibility of particles in higher concentrations. Cell adhesion also showed more appropriate behavior of the 10% and 20% samples containing calcium in the structure. After the investigations, the optimum calcium percentage for barium-calcium titanate particles was selected according to cell and electrical behavior, so that in the fabrication of poly (vinylidine fluoride-poly-vinyl alcohol barium-calcium titanate scaffold, the selected barium-calcium titanate sample was used by electrospinning method. Also, the effect of adding different percentages of optimum nanoparticles on morphology of the scaffold, physical properties , growth and cell adhesion were evaluated. The lowest fiber diameter (560.26 ± 130 nm) and the highest hydrophilicity were observed in the sample containing 5 wt.% of nanoparticles. According to cytotoxicity assay cell proliferation significantly promoted by increasing the time of test. Due to agglomeration of nanoparticles at higher concentrations of barium-calcium titanate mechanical properties were decreased. The highest strength was observed in the scaffold containing 1 wt% of nanoparticle (1.8 ± 4.65 MPa) which was selected as the optimal percentage of barium-calcium titanate according to mechanical and cellular results. Accordingly, poly (vinylidine fluoride-poly-vinyl alcohol barium-calcium titanate fibrous scaffold-1 wt% barium-calcium titanate ( which includes 10% molar calcium in the structure) can be a suitable scaffold for repairing bone defects in bone tissue engineering Keywords : bone tissue engineering, sol-gel, barium-calcium titanate, poly vinylidine fluoride,electrospinning , poly-vinyl alcohol
ترمیم عیوب استخوانی و بازسازی بافت استخوان یکی از مهم ترین چالش ها در عصر حاضر است. مهندسی بافت استخوان یکی از بهترین گزینه ها برای بازسازی بافت استخوان است. امروزه کاربرد مواد هوشمند مانند مواد پیزوالکتریک جهت سرعت بخشیدن به روند ترمیم عیوب استخوانی از طریق ایجاد پالس ها الکتریکی در مهندسی بافت رو به افزایش است. هدف از پژوهش حاضر ساخت داربست کامپوزیتی نانولیفی پلی وینیلیدین فلوراید- پلی وینیل الکل باریم-کلسیم تیتانات و مشخصه یابی آن است. در این راستا ابتدا نانوذرات باریم-کلسیم تیتانات حاوی 0 درصد، 10 درصد،20 درصد، 40 درصد و 100 درصد مولی کلسیم به روش سل-ژل سنتز شد و با استفاده از الگوی پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی، آزمون رامان و طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس جایگزینی کلسیم در ساختار تایید شد. در اثر حضور کلسیم در ساختار در درصدها بالاتر از 10 حضور فاز ثانویه کلسیم تیتانات در کنار باریم تیتانات همراه با کاهش اندازه بلورک واندازه دانه مشاهده شد. رفتار الکتریکی ذرات نیز از طریق بررسی ثابت دی الکتریک بررسی شد. همچنین زیست فعالی نانوپودر ها سنتز شده از طریق غوطه وری در محلول شبیه سازی شده بدن ارزیابی شد. علاوه بر این اثر مقدار کلسیم موجود در ساختار بر رفتار سلول ها MG63بررسی شد. نتایج حاصل از آزمون MTT نشان داد جایگزینی یون کلسیم در ساختار باریم تیتانات برای بالاتر از 20 درصد می تواند زیست سازگاری ذرات را در غلظت ها بالاتر در ساختار افزایش دهد. همچنین چسبندگی سلولی رفتار مناسب تر نمونه حاوی 10 درصد و 20 درصد کلسیم در ساختار را نشان داد. پس از بررسی ها انجام شده درصد بهینه کلسیم برای ذرات باریم کلسیم تیتانات با توجه به رفتار سلولی و الکتریکی انتخاب شد تا در ساخت داربست لیفی نانو کامپوزیتی پلی وینیلیدین فلوراید- پلی وینیل الکل باریم-کلسیم تیتانات به روش الکتروریسی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین اثر افزودن درصد ها مختلف نانوذرات بر تغییرات مورفولوژی داربست، خواص فیزیکی و رشد و چسبندگی سلولی ، مورد ارزیابی قرار گرفت. در این راستا داربست مورد نظر به همراه درصد ها وزنی 1،0، 2 و5 تهیه شد. کمترین قطر الیاف(130±26/560 نانومتر) و بالاترین میزان آبدوستی در نمونه حاوی 5 درصد وزنی نانوذره مشاهده شد. نتایج حاصل از آزمون زیست فعالی و چسبندگی سلولی نیز افزایش زیست فعالی و بهبود چسبندگی سلولی داربست را با افزایش درصد وزنی نانوذرات نشان دادند. نتایج آزمون سمیت سلولی نیز افزایش حیات سلولی با افزایش زمان آزمون از یک روز به 7 روز را مشخص نمود. همچنین به دلیل کلوخه ای شدن ذرات در مقادیر بالاترباریم-کلسیم تیتانات در ساختار داربست بیش ترین استحکام در نمونه حاوی 1 درصد وزنی نانوذره (65/4±8/1مگاپاسکال) مشاهده شد که به عنوان درصد بهینه از نانوپودر باریم-کلسیم تیتانات با توجه به نتایج مکانیکی و سلولی انتخاب شد. بر این اساس داربست لیفی نانو کامپوزیتی پلی وینیلیدین فلوراید- پلی وینیل الکل حاوی 1 درصد وزنی باریم-کلسیم تیتانات (شامل 10 درصد مولی کلسیم در ساختار) می تواند داربست مناسبی جهت ترمبم عیوب استخوانی در مهندسی بافت استخوان باشد. کلمات کلیدی: مهندسی بافت استخوان، پیزوالکتریک، سل –ژل، باریم-کلسیم تیتانات، پلی وینیلیدین فلوراید، الکتروریسی