ساخت و مشخصه یابی داربست های نانوکامپوزیتی سرامیکهای پایه سیلیکاتی- بتاتری کلسیم فسفات جهت کاربرد در مهندسی بافت

STUDENT

DEGREE

YEAR

The results of previous studies verified that the bone is a nanocomposite scaffolds and a complex collection of bonded tissues. Thus, we need composite scaffolds with biocompatibility and good mechanical properties for repairing damaged bone and restoring its functions. Between bioactive ceramics, silicate- based ceramics such as baghdadite (Bag) and monticellite (Mon) have been received a lot of attentions. Bag and Mon have high mechanical properties and excellent bioactivity and appropriate biodegradable rate and the soluble ionic products from these ceramics could efficiently stimulate cell proliferation and differentiation. Also, beta-tricalcium phosphate (?TCP) as a bioactive ceramics has close chemical similarity to biological apatite and demonstrates high biocompatibility. So, the aim of this study is fabrication and characterization of baghdadite- beta-tricalcium phosphate and monticellite- beta tricalcium phosphate using the space holder technique. For this purpose, Bag, Mon and ?TCP nanopowders were synthesized via sol-gel and mechanical activation methods, and then composite scaffolds fabricated by addition of various ratios of ?TCP to Bag and Mon (25, 50, 75 and 100 wt. % ?TCP). Then fabricated scaffolds coated with polycaprolactone solution to improve the mechanical properties. X-ray diffraction (XRD) technique was utilized to confirm presence of the desired phases in the structure. Scanning electron microscopy (SEM) was applied in order to study morphology and surface of nanopowders and scaffolds. To evaluate the shape and size of the particles and crystallites, a transmission electron microscopy (TEM) was applied. Axial compression test was applied to study the mechanical properties of scaffolds. Furthermore, bioactivity of different scaffolds was investigated by soaking them in SBF for various periods (3 and 4 weeks). Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy analysis and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was utilized to evaluate the functional groups present on the surface of immersed scaffolds. In order to verify the biocompatibility of scaffolds, MTT assay was applied for various times (1, 7 and 14 days). Results showed that the fabricated scaffolds have porosity of 60.8-73.6 (%) and coating caused increasing in mechanical properties. Evaluated compressive strength was between 0.14 to 3.6 (MPa). SEM images of scaffolds after soaking in SBF depicted the tiny agglomerated bone-like apatite particles. Also, biocompatibility evaluations by MTT method showed that scaffolds could stimulate cell proliferation of cells and they did not have any cytotoxicity, as compared to control sample. Considering the results obtained, it seems that, baghdadite- beta-tricalcium phosphate and monticellite- beta tricalcium phosphate nanocomposite scaffolds could be a good candidate for bone tissue engineering. Keywords : Baghdadite, Monticellite, Beta tricalcium phosphate, Polycaprolactone, Nanostructure

تحقیقات انجام شده نشان داده است که استخوان یک داربست نانوکامپوزیتی و مجموعه ای ویژه و پیچیده از بافت های متصل به هم است. لذا جهت ترمیم بافت های استخوان آسیب دیده نیاز به داربست های کامپوزیتی زیست سازگار و دارای خواص مکانیکی مطلوب می باشد. در بین بیوسرامیک های زیست فعال مورد استفاده در مهندسی بافت، سرامیک های سیلیکاتی مانند بغدادیت (Bag) و مونتی سیلیت (Mon) مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. Bag و Mon دارای خواص مکانیکی و زیست فعالی بالا و نرخ تخریب مناسب می باشند و محصولات تخریب این دو سرامیک در مایعات فیزیولوژیک، می تواند تکثیر و تمایز سلول های استئوبلاست را ترغیب نماید. بتا تری کلسیم فسفات (?TCP) نیز به عنوان یک بیوسرامیک زیست فعال، از نظر ترکیب شیمیایی شباهت بسیار زیادی به بخش معدنی استخوان داشته و سازگاری زیستی بسیارخوبی از خود نشان می دهد. بنابراین هدف از پژوهش حاضر، تهیه و مشخصه یابی داربست های نانوساختار بغدادیت- بتا تری کلسیم فسفات و مونتی سیلیت- بتا تری کلسیم فسفات به روش پرس پودر با عامل فضاساز می باشد. بدین منظور نانوپودر Bag، Mon و ?TCP به روش سل- ژل و آلیاژسازی مکانیکی تهیه و داربست های کامپوزیتی با اضافه کردن 25، 50، 75 و 100 درصد وزنی ?TCP به Bag و Mon ساخته شد. سپس داربست های تولیدی با محلول 10 درصد وزنی پلی کاپر ولاکاتون به منظور بهبود خواص مکانیکی پوشش داده شد. از تکنیک های مختلفی برای ارزیابی و مشخصه یابی محصولات تولیدی استفاده شد. از تکنیک پراش پرتو ایکس (XRD) به منظور بررسی ساختار فازی و تأیید حضور فازهای مطلوب در ترکیب بدست آمده استفاده شد. به منظور بررسی مورفولوژی داربست ها و توزیع اندازه ذرات و آگلومره های پودرهای تولیدی از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده شد. همچنین مورفولوژی و اندازه کریستالیت های پودرهای نانوساختار تولید شده به کمک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) ارزیابی شد. میزان تخلخل نمونه ها به روش ارشمیدس اندازه گیری شد. به منظور بررسی خواص مکانیکی داربست ها، آزمون فشار بر روی نمونه های استوانه ای با سرعت اعمال فشار 5/0 میلی متر بر دقیقه انجام شد. همچنین خواص زیست فعالی داربست های تولید شده با قراردادن در محلول شبیه سازی شده بدن (SBF) به مدت سه و چهار هفته ارزیابی شد. طیف سنج مادون قرمز با تبدیل فوریه (FTIR) و آنالیز عنصری با تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) برای ارزیابی بنیان های موجود در سطح نمونه های غوطه ور شده در محلول شبیه سازی شده بدن مورد استفاده قرار گرفت. مورفولوژی و چگونگی رسوبات آپاتیت در سطح نمونه ها با روش میکروسکوپ الکترونی روبشی ارزیابی شد. به منظور بررسی تکثیر و چسبندگی سلولی، کشت سلول بر روی داربست ها به مدت 1، 7 و 14 روز با استفاده از سلول های بنیادی انجام گرفت. نتایج به دست آمده نشان داد که داربست های تولید شده دارای تخلخل 8/60 تا 6/73 درصد بوده و اعمال پوشش پلیمری باعث افزایش خواص مکانیکی آن ها شده است. استحکام فشاری به دست آمده از داربست ها در محدوده 14/0 تا 6/3 مگاپاسکال می باشد که در محدوده استحکام فشاری استخوان اسفنجی است. نتایج غوطه وری در محلول شبیه سازی شده بدن نشان داد که داربست های تولیدی کاملاً زیست فعال بوده و به خوبی قابلیت تشکیل آپاتیت را دارند. نتایج آزمون کشت سلولی نیز، تکثیر سلولی و چسبندگی بالای داربست ها را تایید کرد. نتایج حاصل از این پژوهش حاکی از آن است که داربست های نانوساختار بغدادیت- بتا تری کلسیم فسفات و مونتی سیلیت- بتا تری کلسیم فسفات زیست فعال بوده و می توانند کاندید مناسبی برای ترمیم و بازسازی استخوان آسیب دیده در مهندسی بافت باشند. کلمات کلیدی : بغدادیت، مونتی سیلیت، بتا تری کلسیم فسفات، پلی کاپرولاکتون، مواد نانوساختار، داربست، پرس پودر با عامل فضاساز، مهندسی بافت.