ساخت و مشخصه يابي داربست هاي نانوکامپوزيتي سراميکهاي پايه سيليکاتي- بتاتري کلسيم فسفات جهت کاربرد در مهندسي 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

چکيده تحقيقات انجام شده نشان داده است که استخوان يک داربست نانوکامپوزيتي و مجموعه اي ويژه و پيچيده از بافت هاي متصل به هم است. لذا جهت ترميم بافت هاي استخوان آسيب ديده نياز به داربست هاي کامپوزيتي زيست سازگار و داراي خواص مکانيکي مطلوب مي باشد. در بين بيوسراميک هاي زيست فعال مورد استفاده در مهندسي بافت، سراميک هاي سيليکاتي مانند بغداديت (Bag) و مونتي سيليت (Mon) مورد توجه زيادي قرار گرفته اند. Bag و Mon داراي خواص مکانيکي و زيست فعالي بالا و نرخ تخريب مناسب مي باشند و محصولات تخريب اين دو سراميک در مايعات فيزيولوژيک، مي تواند تکثير و تمايز سلول هاي استئوبلاست را ترغيب نمايد. بتا تري کلسيم فسفات (?TCP) نيز به عنوان يک بيوسراميک زيست فعال، از نظر ترکيب شيميايي شباهت بسيار زيادي به بخش معدني استخوان داشته و سازگاري زيستي بسيارخوبي از خود نشان مي دهد. بنابراين هدف از پژوهش حاضر، تهيه و مشخصه يابي داربست هاي نانوساختار بغداديت- بتا تري کلسيم فسفات و مونتي سيليت- بتا تري کلسيم فسفات به روش پرس پودر با عامل فضاساز مي باشد. بدين منظور نانوپودر Bag، Mon و ?TCP به روش سل- ژل و آلياژسازي مکانيکي تهيه و داربست هاي کامپوزيتي با اضافه کردن 25، 50، 75 و 100 درصد وزني ?TCP به Bag و Mon ساخته شد. سپس داربست هاي توليدي با محلول 10 درصد وزني پلي کاپر ولاکاتون به منظور بهبود خواص مکانيکي پوشش داده شد. از تکنيک هاي مختلفي براي ارزيابي و مشخصه يابي محصولات توليدي استفاده شد. از تکنيک پراش پرتو ايکس (XRD) به منظور بررسي ساختار فازي و تأييد حضور فازهاي مطلوب در ترکيب بدست آمده استفاده شد. به منظور بررسي مورفولوژي داربست ها و توزيع اندازه ذرات و آگلومره هاي پودرهاي توليدي از ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) استفاده شد. همچنين مورفولوژي و اندازه کريستاليت هاي پودرهاي نانوساختار توليد شده به کمک ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) ارزيابي شد. ميزان تخلخل نمونه ها به روش ارشميدس اندازه گيري شد. به منظور بررسي خواص مکانيکي داربست ها، آزمون فشار بر روي نمونه هاي استوانه اي با سرعت اعمال فشار 5/0 ميلي متر بر دقيقه انجام شد. همچنين خواص زيست فعالي داربست هاي توليد شده با قراردادن در محلول شبيه سازي شده بدن (SBF) به مدت سه و چهار هفته ارزيابي شد. طيف سنج مادون قرمز با تبديل فوريه (FTIR) و آناليز عنصري با تفکيک انرژي پرتو ايکس (EDS) براي ارزيابي بنيان هاي موجود در سطح نمونه هاي غوطه ور شده در محلول شبيه سازي شده بدن مورد استفاده قرار گرفت. مورفولوژي و چگونگي رسوبات آپاتيت در سطح نمونه ها با روش ميکروسکوپ الکتروني روبشي ارزيابي شد. به منظور بررسي تکثير و چسبندگي سلولي، کشت سلول بر روي داربست ها به مدت 1، 7 و 14 روز با استفاده از سلول هاي بنيادي انجام گرفت. نتايج به دست آمده نشان داد که داربست هاي توليد شده داراي تخلخل 8/60 تا 6/73 درصد بوده و اعمال پوشش پليمري باعث افزايش خواص مکانيکي آن ها شده است. استحکام فشاري به دست آمده از داربست ها در محدوده 14/0 تا 6/3 مگاپاسکال مي باشد که در محدوده استحکام فشاري استخوان اسفنجي است. نتايج غوطه وري در محلول شبيه سازي شده بدن نشان داد که داربست هاي توليدي کاملاً زيست فعال بوده و به خوبي قابليت تشکيل آپاتيت را دارند. نتايج آزمون کشت سلولي نيز، تکثير سلولي و چسبندگي بالاي داربست ها را تاييد کرد. نتايج حاصل از اين پژوهش حاکي از آن است که داربست هاي نانوساختار بغداديت- بتا تري کلسيم فسفات و مونتي سيليت- بتا تري کلسيم فسفات زيست فعال بوده و مي توانند کانديد مناسبي براي ترميم و بازسازي استخوان آسيب ديده در مهندسي بافت باشند. کلمات کليدي : بغداديت، مونتي سيليت، بتا تري کلسيم فسفات، پلي کاپرولاکتون، مواد نانوساختار، داربست، پرس پودر با عامل فضاساز، مهندسي بافت.