SUPERVISOR
Mahshid Kharaziha-esfahani,Sheyda Labbaf
مهشيد خرازيهاي اصفهاني (استاد راهنما) شيدا لباف (استاد راهنما)
STUDENT
Narges Ahmadi Khoie
نرگس احمدي خوئي
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
چکيده ترميم عيوب استخواني و بازسازي بافت استخوان يکي از مهم ترين چالش ها در عصر حاضر است. مهندسي بافت استخوان يکي از بهترين گزينه ها براي بازسازي بافت استخوان است. امروزه کاربرد مواد هوشمند مانند مواد پيزوالکتريک جهت سرعت بخشيدن به روند ترميم عيوب استخواني از طريق ايجاد پالس ها الکتريکي در مهندسي بافت رو به افزايش است. هدف از پژوهش حاضر ساخت داربست کامپوزيتي نانوليفي پلي وينيليدين فلورايد- پلي وينيل الکل باريم-کلسيم تيتانات و مشخصه يابي آن است. در اين راستا ابتدا نانوذرات باريم-کلسيم تيتانات حاوي 0 درصد، 10 درصد،20 درصد، 40 درصد و 100 درصد مولي کلسيم به روش سل-ژل سنتز شد و با استفاده از الگوي پراش پرتو ايکس، ميکروسکوپ الکتروني روبشي، آزمون رامان و طيف سنجي پراش انرژي پرتو ايکس جايگزيني کلسيم در ساختار تاييد شد. در اثر حضور کلسيم در ساختار در درصدها بالاتر از 10 حضور فاز ثانويه کلسيم تيتانات در کنار باريم تيتانات همراه با کاهش اندازه بلورک واندازه دانه مشاهده شد. رفتار الکتريکي ذرات نيز از طريق بررسي ثابت دي الکتريک بررسي شد. همچنين زيست فعالي نانوپودر ها سنتز شده از طريق غوطه وري در محلول شبيه سازي شده بدن ارزيابي شد. علاوه بر اين اثر مقدار کلسيم موجود در ساختار بر رفتار سلول ها MG63بررسي شد. نتايج حاصل از آزمون MTT نشان داد جايگزيني يون کلسيم در ساختار باريم تيتانات براي بالاتر از 20 درصد مي تواند زيست سازگاري ذرات را در غلظت ها بالاتر در ساختار افزايش دهد. همچنين چسبندگي سلولي رفتار مناسب تر نمونه حاوي 10 درصد و 20 درصد کلسيم در ساختار را نشان داد. پس از بررسي ها انجام شده درصد بهينه کلسيم براي ذرات باريم کلسيم تيتانات با توجه به رفتار سلولي و الکتريکي انتخاب شد تا در ساخت داربست ليفي نانو کامپوزيتي پلي وينيليدين فلورايد- پلي وينيل الکل باريم-کلسيم تيتانات به روش الکتروريسي مورد استفاده قرار گيرد. همچنين اثر افزودن درصد ها مختلف نانوذرات بر تغييرات مورفولوژي داربست، خواص فيزيکي و رشد و چسبندگي سلولي ، مورد ارزيابي قرار گرفت. در اين راستا داربست مورد نظر به همراه درصد ها وزني 1،0، 2 و5 تهيه شد. کمترين قطر الياف(130±26/560 نانومتر) و بالاترين ميزان آبدوستي در نمونه حاوي 5 درصد وزني نانوذره مشاهده شد. نتايج حاصل از آزمون زيست فعالي و چسبندگي سلولي نيز افزايش زيست فعالي و بهبود چسبندگي سلولي داربست را با افزايش درصد وزني نانوذرات نشان دادند. نتايج آزمون سميت سلولي نيز افزايش حيات سلولي با افزايش زمان آزمون از يک روز به 7 روز را مشخص نمود. همچنين به دليل کلوخه اي شدن ذرات در مقادير بالاترباريم-کلسيم تيتانات در ساختار داربست بيش ترين استحکام در نمونه حاوي 1 درصد وزني نانوذره (65/4±8/1مگاپاسکال) مشاهده شد که به عنوان درصد بهينه از نانوپودر باريم-کلسيم تيتانات با توجه به نتايج مکانيکي و سلولي انتخاب شد. بر اين اساس داربست ليفي نانو کامپوزيتي پلي وينيليدين فلورايد- پلي وينيل الکل حاوي 1 درصد وزني باريم-کلسيم تيتانات (شامل 10 درصد مولي کلسيم در ساختار) مي تواند داربست مناسبي جهت ترمبم عيوب استخواني در مهندسي بافت استخوان باشد. کلمات کليدي: مهندسي بافت استخوان، پيزوالکتريک، سل –ژل، باريم-کلسيم تيتانات، پلي وينيليدين فلورايد، الکتروريسي