طراحي ساخت و مشخصه يابي داربست نانو کامپوزيتي ليفي پلي کاپرولاکتون - فورستريت براي کاربردهاي مهندسي بافت استخوان

STUDENT

DEGREE

YEAR

The basic aim of this research is to develop novel nanofibrous scaffolds through electrospinning of PCL-forsterite nanopowder. The scaffolds were characterized with regard to structural and mechanical properties, degradation, bioactivity and cellular interactive responses. Then, forsterite nanopowders was surface modified using esterification reaction and PCL-surface modified forsterite scaffolds were developed. At the next step, due to low hydrophilicity of synthetic polymers, gelatin fibers were also added to PCL-forsterite scaffolds through sequential electrospinning method and the effects of the layer-by-layer structure on the physical, mechanical and biological properties of scaffolds were investigated. Due to suitable effects of differentiation factors on the osteogenesis and bone treatment, dexamethasone was added during the electrospinning of pure PCL and PCL-forsterite scaffolds. Finally, the effects of forsterite nanopowder and fibrous architecture on the drug release kinetics were studied. Results showed that forsterite nanopowder enhanced mechanical properties, the degradation rate and bioactivity of PCL scaffold. Furthermore, composite nanofibrous scaffolds possessed significantly improved cellular responses in terms of attachment, proliferation and mineralization of pre-osteoblasts compared to PCL one. Surface modification of nanoparticles significantly enhanced the tensile strength and modulus of scaffolds compared to unmodified samples, respectively, due to improved compatibility between matrix and filler. Furthermore multilayered scaffolds with 40 micrometer pore sizes could be obtained through subsequent electrospinning technique. The addition of gelatin layer dramatically improved the hydrophilicity of PCL-F scaffold, while did not significantly change its stiffness and strength. Moreover, compared to pure gelatin scaffold, the attachment and proliferation of SHED cultured on the multilayered fibrous scaffolds were not significantly different. Studies demonstrated that while dexamethasone release was sustained over a period of 4 weeks, its kinetic was governed by the membrane architecture and composition. Forsterite nanopowder inclusion, as a determining factor for drug release, changed the kinetic of DEX release from Fickian diffusion to an anomalous traort. Furthermore, while DEX release decreased SHED proliferation, stimulated mineralization. Thus, the currently developed nanofibrous composite membranes embedded in forsterite nanopowder expected to be attractive in GBR membrane applications. Key words : Bone tissue engineering; Electrospinning; Forsterite; Drug release.

چکيده تلاش هاي زيادي به منظور بکارگيري مهندسي بافت در جهت ترميم و بازسازي اعضاي مختلف بدن انجام شده است. در اين ميان، استفاده از مهندسي بافت براي بازسازي عيوب و نواقص استخواني به منظور تقليد از مکانيزم طبيعي بدن در ترميم بافت، از اهميت زيادي برخوردار است. با توجه به ساختار ليفي نانوکامپوزيتي زمينه استخوان، ساخت داربست نانوکامپوزيتي زمينه پليمري با پرکننده نانومتري مي تواند در جهت بهبود و التيام سريعتر عضو بيمار موثر باشد. امروزه، فرايند الکتروريسي يکي از روش هاي موثر براي ساخت داربست هاي نانوليفي است. بر اين اساس، هدف از پژوهش حاضر طراحي، ساخت و مشخصه يابي داربست هاي ليفي نانوکامپوزيتي پلي کاپرولاکتون- فورستريت با استفاده از فرايند الکتروريسي است. در اين پژوهش، ابتدا با ساخت داربست خالص پلي کاپرولاکتون، پارامترهاي مختلف فرايند الکتروريسي و محلول پلي کاپرولاکتون در جهت ايجاد ساختاري با کمترين قطر الياف و مورفولوژي بهينه انجام شد. در ادامه، محدوده بهينه غلظت فورستريت نانومتري در زمينه پلي کاپرولاکتون با استفاده از فرايند طراحي آزمون تاگوچي، تعيين و بر اساس آن داربست پلي کاپرولاکتون-فورستريت با درصدهاي مختلف فورستريت نانومتري به منظور تعيين داربست بهينه از نظر خواص مکانيکي، نرخ تخريب زيستي، زيست فعالي و زيست سازگاري، بررسي شدند. همچنين، اثرات فورستريت نانومتري بر ضريب کشساني داربست هاي ليفي با استفاده از مدل هاي رياضي پيش بيني شد. در ادامه به منظور بهبود توزيع يکنواخت نانوذرات فورستريت در زمينه پلي کاپرولاکتون، نانوذرات فورستريت با استفاده از فرايند شيميايي، اصلاح سازي سطحي شده و اثرات اين اصلاح سازي بر خواص فيزيکي، مکانيکي، ساختاري و بيولوژيکي داربست نهايي بررسي شد. از آنجايي که يکي از مهمترين محدوديت هاي پليمرهاي مصنوعي، آبدوستي ضعيف آن ها است، داربست ليفي لايه-لايه از پلي کاپرولاکتون-فورستريت و ژلاتين با استفاده از فرايند الکتروريسي ساخته و اثرات اين ساختار بر قابليت چسبندگي و رشد سلولي، خواص مکانيکي، فيزيکي و تغييرات مورفولوژي داربست ها بررسي شد. با توجه به اثرات مفيد فاکتورهاي تمايز در تسريع التيام و استخوان سازي، داروي دگزامتازون در حين فرايند ساخت داربست هاي خالص پلي کاپرولاکتون و کامپوزيت پلي کاپرولاکتون-فورستريت، به آن ها اضافه شد و نقش نانوذرات فورستريت و نوع آرايش الياف در داربست ساخته شده بر نرخ رهايش دارو و سينتيک آن ارزيابي شد. نتايج تحقيقات نشان داد که حضور نانوذرات فورستريت در الياف پلي کاپرولاکتون سبب کاهش قطر الياف و افزايش قابل توجه خواص مکانيکي داربست ها در مقايسه با پلي کاپرولاکتون خالص شد. داربست هاي ليفي با الياف جهت دار خواص مکانيکي غيريکنواختي را در دو جهت موازي و عمود بر اعمال بار از خود نشان مي داد، ضمن آنکه خواص مکانيکي افزايش قابل توجهي نسبت به داربست هاي با الياف تصادفي داشت. نتايج انطباق نتايج آزمايشگاهي با معادلات مرتبط نشان داد که در بين 4 مدل مورد بررسي براي پيش بيني رفتار مکانيکي، مدل نارکيس بيشترين انطباق را با خواص مکانيکي بدست آمده دارد. حضور نانوذرات فورستريت در زمينه پلي کاپرولاکتون نه تنها سبب افزايش نرخ تخريب و جذب آب در مقايسه با پلي کاپرولاکتون خالص شد، بلکه سبب القاي زيست فعالي به سيستم شد. حضور نانوذرات فورستريت سبب بهبود چشمگير قابليت چسبندگي سلول هاي پيش ساز استخواني و قابليت مينراله شدن بافت استخواني شد. فرايند استري کردن سطحي نانوذرات سبب بهبود سازگاري پلي کاپرولاکتون با نانوذرات شده که نتيجه آن توزيع يکنواخت نانوذرات در زمينه بود که سبب بهبود چشمگير خواص مکانيکي داربست ها شد. توسعه داربست ليفي لايه-لايه پلي کاپرولاکتون-فورستريت/ژلاتين سبب شد که ضمن افزايش اندازه حفرات در حدود 40 ميکرومتر، زاويه تماس با آب به طور قابل توجهي کاهش پيدا کند. همچنين حضور ژلاتين سبب بهبود قابل توجه چسبندگي، رشد و تکثير سلول هاي بنيادي پالپ .