ساخت پروتز برید کربن / کولار و بهینه سازی خواص کششی آن جهت ترمیم شکستگی استخوان

STUDENT

DEGREE

YEAR

Bone fractures occurred due to accidents, job/sports accidents, illness, caducity and so forth. If fracture healing needs surgery, using a bone fixation device is neccesary for fracture repairing. Currently, metal bone plates are the most used repairing device that had many challenges such as stress shielding, allergic reactions, device fracture in a body, need to be repair, replace or remove due to clinical reasons. Corresponding to large number of bone fracture per annum in the world and need an optimized device for faster and easier repairing, in this thesis, an implant designed and produced by using braiding and electrospinning technologies. With braiding technology, tubular Carbon-Kevlar braid fabricated that acted like a bridge and connected two parts of the fractured bone. Using such a braid composite have many advantages like reducing textile thickness, screw eliminating and tailorable braid composites make it possible to produce a production corresponding to end-use. To access this goal, five parameters named adding a matrix to textile braid, adding Kevlar to carbon braid structure, the carbon-Kevlar pattern in braid structure, number of layers and braid angle investigated. Polymethylmethacrilate reinforced with 2% Graphene Oxide, used to composite braid samples. After obtaining each parameters effect, with Vikor-fuzzy software samples were optimized. The best sample in braid part was a tubular composite with a 2×2 pattern of carbon and kevlar, 4 layers and 56/75? braid angle which then placed on a cow fractured bone and biomechanical tests were done on it. Tensile stress, modulus and strain were 490.64 MPa, 2.74 % ,and 29.07 GPa, respectively. Flexural Stress, strain and modulus were 308.21 MPa, 1.76 % ,and 17.74 GPa, respectively. 46.57% was the energy absorption of a fractured bone with the best braid sample. Results showed that this composite tubular braid with properties in the range of natural bone (the main goal of this research) could be a proper replacement for metal bone plates. The other goal of this research was producing a tissue engineered scaffold for acceleration the healing process by providing a better cell attachment, growth, and proliferation during the repairing time. For this, PCL, HA bioactive nanoparticles and GO nanoplates were used and samples were studied with SEM, AFM, Raman Spectroscopy, electrical conductivity, thermal evaluation and cellular tests. First biomaterials concentrations in electrospinning solution optimized, then by investigating surface morphology, nanofiber diameter, distribution percentages, surface and volume porosity, samples were selected corresponded to bone tissue properties. In continues electrospinning parameters including electrospinning distance, the voltage and flow rate were optimized. Also, for understanding nanofillers effects, PCL, PCL/HA and PCL/HA/GO scaffolds were tested and compared. The results showed that adding nanofillers improved scaffold surface morphology, increased surface roughness, decreased fiber thickness, increased porosities, refined hydrophilicity and electrical conductivity and as a result, improved scaffold function in reactions with cells. The results showed that scaffolds not only had no toxic effect on cells but they improved cell adhesion, growth and proliferation. The best function belongs to sample with 0.4 wt% GO, 1.0 wt% HA and 7.6 wt% PCL which showed a uniform distribution of cells on its surface, 14 days after cell seeding. This selective sample has average diameter of 178 nm with 90% distribution, 96 and 94% as a surface and volume porosity, 19° water contact angle, 3.6 MPa tensile stress, 6.7 mS/cm electrical conductivity, 184.80 % cell viability, 279% ALP activity and 7.2 × 10 5 alive cell 14 days after human mesenchymal stem cell seeding.

شکستگی استخوان به دلایل مختلف از جمله تصادف، حوادث کار و ورزش، بیماری، کهولت سن و موارد دیگر رخ می دهد. برای درمان شکستگی، در صورت نیاز به جراحی، استفاده از ابزار کاشتنی برای تثبیت استخوان شکسته ضروری است. در حال حاضر از صفحات استخوانی فلزی استفاده می شود که چالش های فراوانی همچون حفاظت تنشی، ایجاد واکنش های آلرژیک، نیاز به ترمیم، تعویض یا برداشتن به دلایل مختلف پزشکی را دارند. با توجه به تعداد زیاد شکستگی های سالانه در دنیا و نیاز به ابزاری بهینه برای درمانی سریع تر و راحت تر، در این رساله ابزار کاشتنی ترمیم شکستگی استخوان با استفاده از دو فناوری برید و الکتروریسی طراحی و تولید شده است. با استفاده از فناوری برید، یک کامپوزیت برید لوله ای کربن-کولار تولید شده است که همانند پلی عمل کرده و دو طرف استخوان شکسته را به هم متصل می کند. به منظور تثبیت نمودن نمونه های برید بر روی استخوان شکسته، از سیمان استخوانی پلی متیل متاکریلات تقویت شده با 2 درصد گرافن اکسید استفاده شده است. بهره گیری از این کامپوزیت برید مزایای متعددی مانند کاهش ضخامت منسوج، حذف پیچ، کاهش زمان جراحی و قابلیت طراحی کامپوزیت متناسب با کاربرد نهایی را دارد. به منظور دست یابی به این هدف، پنج پارامتر افزودن ماده زمینه به منسوج برید، افزودن کولار به ساختار برید کربنی، الگوی کنار هم قرار گرفتن کربن-کولار در ساختار برید، تعداد لایه و زاویه برید مورد بررسی قرار داده شده و پس از به دست آوردن تاثیرات هر پارامتر با استفاده از نرم افزار ویکور فازی نمونه های برید، بهینه شده است. بهترین نمونه به دست آمده در بخش برید نمونه کامپوزیت لوله ای با الگوی کنار هم قرار گیری دو در میان کربن و کولار، دارای چهار لایه و با زاویه برید °75/56 بوده است که بر روی استخوان شکسته شده گاو قرار داده و آزمایشات مکانیکی بر روی آن انجام شده است. کامپوزیت برید لوله ای قرار داده شده بر روی استخوان شکسته دارای استحکام 64/490 مگاپاسکال، کرنش 74/2 درصد و مدول کششی 07/29 گیگاپاسکال، استحکام 21/308 مگاپاسکال، کرنش 76/1 درصد و مدول خمشی 74/17 گیگاپاسکال و جذب انرژی 57/46 درصد بوده است. از دیگر اهداف این رساله تولید داربست مهندسی بافت استخوان، به منظور تسریع روند درمان با ایجاد بستری مناسب برای چسبندگی، تکثیر، تفکیک و تمایز سلولی بهتر در زمان ترمیم، بوده است. همچنین این داربست به منظور پر کردن فضای خالی ایجاد شده در مواردی که استخوان شکسته دارای خرد شدگی است، برای کوتاه نشدن استخوان قابل بکارگیری است. به منظور تولید این داربست، از پلیمر آلی پلی کاپرولاکتون (PCL)، نانوذرات سرامیکی زیست فعال هیدروکسی آپاتیت (HA) و نانوصفحات گرافن اکسید (GO) استفاده شد ه است. نمونه های تولید شده مورد بررسی تصویری توسط میکروسکوپ اتمی و الکترونی، شیمی سطح با استفاده از طیف رامان، رسانایی الکتریکی و ارزیابی حرارتی و آزمایش های سلولی (سمیت سلولی، فعالیت فسفات قلیایی و میکروسکوپ فلورسانس) قرار گرفته اند. در ابتدا نسبت مواد مورد استفاده در محلول الکتروریسی بهینه شده، سپس به بررسی مورفولوژی سطح، قطر نانوالیاف، درصد یکنواختی، تخلخل سطحی و حجمی نمونه های به دست آمده پرداخته شده است. در ادامه بهینه سازی شرایط الکتروریسی با استفاده از پارامترهای فاصله ریسندگی، ولتاژ اعمال شده و نرخ شارش محلول انجام شده است. همچنین به منظور بررسی اثر نانومواد افزودنی به ساختار نهایی داربست، نمونه های الکتروریسی به صورت تک جزیی(PCL)، دو جزیی (PCL/HA) و سه جزیی (PCL/HA/GO) بررسی و آزمایش شده است. نتایج نشان داده است که افزودن نانومواد باعث بهبود مورفولوژی سطح از طریق افزایش زبری سطح، کاهش قطر نانوالیاف، افزایش تخلخل، بهبود خواص آب دوستی و رسانایی الکتریکی داربست شده که در نتیجه باعث بهبود عملکرد داربست در واکنش با سلول شده است. همچنین نتایج نشان داده است که این داربست ها نه تنها سمیت سلولی ایجاد نکرده اند بلکه باعث بهبود چسبندگی، رشد و تکثیر سلولی نیز شده اند و بهترین عملکرد مربوط به نمونه با نسبت های درصد وزنی 4/0 گرافن اکسید، 0/1 هیدروکسی آپاتیت و 6/7 پلی کاپرولاکتون است که پس از 14 روز توزیع یکنواختی از رشد سلول ها روی کل سطح آن ایجاد شده است. این نمونه منتخب دارای قطر میانگین الیاف 178 نانومتر با توزیع 90 درصد، آرایش یافتگی °69، تخلخل سطحی 96 درصد و حجمی 94 درصد، زاویه تماس آب °19، استحکام کششی6/3 مگاپاسکال، رسانایی الکتریکی mS/cm 7/6، مشاهده سلولی 80/184 درصد، فعالیت فسفات قلیایی 279 درصد و تعداد سلول های زنده 10 5 ×2/7 در 14 روز پس از کشت سلول های استئوبلاست مزانشیمی استخوان انسان بوده است.