SUPERVISOR
Mohammad Hosein Fathi,Fakhreddin Ashrafizadeh
محمدحسين فتحي (استاد مشاور) سيدفخرالدين اشرفي زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Mehdi Ebrahimian Hosseinabadi
مهدي ابراهيميان حسين آبادي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1384
TITLE
Preparation and Evaluation of PLGA/nano-BCP Composite Scaffolds for Bone Tissue Engineering
In this research, the preparation and evaluation of poly (lactic-co-glycolic acid)/nano biphasic calcium phosphate (PLGA/nano-BCP) for bone tissue engineering has been investigated. First, the preparation and properties of nano-composite scaffolds for bone tissue engineering were briefly reviewed. Then, the BCP fabrication process was carried out by burning and heat treatment of cortical and cancellous bovine bones. After that, the bioactivity in SBF solution, and cytotoxicity of the resultant nano-BCP powders, by MTT assay of G-292 osteoblast cells, were evaluated. The results showed that after immersing the bones in di-ammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) solution and subsequent heat treating at the temperature range of 700 to 1300 ?C, the calcined hydroxyapatite transformed to HA/?-TCP biphasic structure. By increasing the heat treatment temperature, the amount of ?-TCP phase in the samples increased in such a way that cancellous bone samples were entirely converted into ?-TCP at 1300 ?C. SEM images, EDS and XRD analysis of immersed samples in SBF solution showed that a uniform layer formed on the surface after 28 days with the chemical composition of hydroxyapatite. Cytotoxicity assay of the nano-BCP (nBCP) powders extract, with the chemical composition of HA/?-TCP: 60/40, in contact with osteoblast G-292 cells revealed that the nBCP compounds do not show cytotoxicity. Moreover, the rate of cell proliferation for nBCP is greater than nHA. In the rest of this study, PLGA, PLGA/nBCP and PLGA/nHA scaffolds were fabricated, by thermal induce phase separation (TIPS), and their properties were compared for use in bone tissue engineering . The freeze dryer was applied to fabricate scaffolds at a temperature of -60 ?C and pressure of 0.04 mbar. The scaffolds had more than 89% porosity with an average pore size of 60 to 150 µm. TIPS process is one of the most common and inexpensive methods for fabrication of polymer matrix nano-composite scaffolds with very high amount of porosity. The mechanical and in vitro degradation properties of PLGA and PLGA/nBCP scaffolds were evaluated and their cell behavior was investigated under cell culture tests. The results of tensile tests showed that the yield strength of the PLGA/nBCP composite scaffold with 30 wt% nBCP particles was about 0.54 MPa which was higher than other samples. By addition of 30 wt% nBCP to PLGA matrix, a more uniform distribution of particles and less agglomeration was observed in comparison to composite scaffolds containing 40 and 50 wt% particles. With increasing the amount of particles in the scaffold, the elastic modulus of scaffolds were increased so that the elastic modulus of PLGA/50 wt% nBCP (14.83 ± 0.83 MPa) was about 8.7 times higher than the base PLGA scaffold. The nBCP reinforcement particles in the composite scaffolds, due to their high surface energy and strong bonds with the polymer matrix, can increase the modulus of elasticity and yield strength of the resultant composite. Degradation tests showed that the weight loss of the PLGA/nBCP composite scaffolds were more than that of PLGA scaffolds and by increasing the amount of nBCP particles in the composite scaffolds, the rate of weight loss increased. The weight loss affected the mechanical properties of scaffolds, significantly in such a way that after immersion in solution for 8 weeks, the yield strength and elastic modulus dropped to negligible values and the scaffolds were ruptured easily. Also, MTS assay for L-929 fibroblast cells and MG-63 osteoblast cells in contact with PLGA and PLGA/nBCP composite scaffolds (with 30, 40 and 50 wt% nBCP particles), showed that cell viability and proliferation for composite scaffolds were more than pure polymer scaffolds. Addition of nBCP reinforcement particles in the range of 30 to 50 wt% significantly enhanced the cell behavior of composite scaffolds and can provide a suitable condition for the repair of injured bone tissue. In conclusion, it can be stated that the PLGA/nBCP scaffolds with 30 wt% nBCP have better mechanical and degradation properties and cell behavior than other scaffolds. Key words: Biphasic calcium phosphate, Poly (lactic-co-glycolic acid), Nano-composite(s), Scaffold(s), Hydroxyapatite, Bioactivity, Degradation, Bone tissue engineering
چکيده در اين تحقيق، مطالعات و کارهاي عملي انجام شده در مورد تهيه و ارزيابي داربست کامپوزيتي پلي لاکتيک-کو-گلايکوليک اسيد/نانو فسفات کلسيم دوفازي (PLGA/nano-BCP) براي مهندسي بافت استخوان ارايه گرديده است. در ابتدا ضمن معرفي و بررسي اجمالي تحقيقات ساير محققين در رابطه با استفاده از داربست هاي مختلف نانو کامپوزيتي در مهندسي بافت استخوان، روشهاي تهيه و خواص آنها بررسي شد. سپس در قسمت کارهاي عملي، فرايند توليد BCP از استخوان اسفنجي و فشرده و زيستفعالي آنها در محلول SBF بررسي گرديد و سميت پودرهاي nano-BCP (nBCP) توليد شده توسط سلول هاي استئوبلاست G-292، با استفاده از آزمون MTT، مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان ميدهد که با عمليات سوزاندن و حرارت دادن (700 تا ?C1300) استخوان غوطهور شده در محلول دي آمونيوم هيدروژن فسفات ((NH 4 ) 2 HPO 4 )، هيدروکسيآپاتيت استخوان به ترکيبي از دو فاز HA و ?-TCP تبديل ميشود. با افزايش دماي عمليات حرارتي ميزان فاز ?-TCP در نمونهها افزايش مييابد به گونهاي که نمونههاي استخوان اسفنجي در دماي ?C 1300 تماماً به ?-TCP تبديل ميشوند. تصاوير SEM و آناليز هاي EDS و XRD نشان داد که لايه آپاتيت در محلول SBF روي سطح نمونه هاي nBCP به طور کامل پس از 28 روز ايجاد شده و داراي ترکيب هيدروکسي آپاتيت است. بررسي هاي سميت سلولي عصاره پودر نانو BCP، با ترکيب شيميايي 40/60 :HA/?-TCP، با رده سلولي G-292 استخوان انساني نشان داد که ترکيبات nBCP سميتي از خود نشان نميدهند، ضمن اينکه ميزان تکثير سلول ها براي ترکيب nBCP در مقايسه با ترکيب nHA استخواني بيشتر است. در ادامه اين تحقيق، داربست هاي پليمري PLGA، کامپوزيتي PLGA/nano-BCP و کامپوزيتي PLGA/nano-HA به منظور بررسي و مقايسه با يکديگر جهت استفاده در مهندسي بافت استخوان توسط روش جدايش فازي با القاي حرارتي (TIPS) ساخته شدند. براي ساخت داربست ها از دستگاه فريزدراير تحت دماي ?C 60- و فشار 04/0 ميلي بار استفاده شد. داربست هاي ساخته شده داراي تخلخلي بيش از 89% هستند و اندازه ميانگين تخلخل ها حدود 60 تا 150 ميکرومتر است. روش TIPS يکي از روشهاي رايج و ارزان براي ساخت داربستهاي نانو کامپوزيتي زمينه پليمري با مقادير تخلخل بسيار بالا است. داربست هاي ساخته شده تحت آزمون هاي خواص مکانيکي، تخريب پذيري برون تني و کشت سلول قرار گرفتند. يافته هاي حاصل از آزمون کشش نشان مي دهد که داربست هاي کامپوزيتي PLGA/nBCP با 30 درصد وزني ذرات nBCP، از استحکام تسليم (02/0±54/0مگاپاسکال) بالاتري نسبت به ساير داربست ها برخوردار بودند؛ با افزودن ذرات nBCP تا 30 درصد وزني به زمينه پليمري PLGA توزيع يکنواخت تر ذرات و ميزان آگلومره شدن کم تر نسبت به داربست هاي کامپوزيتي با 40 و 50 درصد وزني ذرات nBCP مشاهده مي شود. مدول الاستيک داربست ها با افزايش درصد ذرات در زمينه پليمري افزايش يافته است به گونه اي که مدول الاستيک داربست کامپوزيتي PLGA-50 wt% nBCP (83/0±83/14مگاپاسکال) حدود 7/8 برابر بيشتر از داربست پليمري PLGA است. جزء تقويتکنندهnBCP در داربست هاي کامپوزيتي، به علت دارا بودن انرژي سطحي بالا و ايجاد پيوند قوي با زمينه پليمري، ميتواند خواص مکانيکي همچون مدول الاستيک و استحکام تسليم را افزايش دهد. نتايج حاصل از تخريب داربست هاي مختلف نشان داد که داربست هاي کامپوزيتي از ميزان کاهش وزن بيشتري نسبت به داربست هاي پليمري خالص برخوردارند و با افزايش مقدار ذرات nBCP در داربست هاي کامپوزيتي، ميزان کاهش وزن افزايش مي يابد. کاهش وزن داربست ها بر خواص مکانيکي آنها اثرگذار بود و استحکام تسليم و مدول الاستيک داربست ها پس از 8 هفته غوطه وري در محلول به مقدار بسيار ناچيزي رسيد و داربست ها به راحتي دچار شکست و پارگي شدند. همچنين آزمون MTS براي سلولهاي فايبروبلاست L-929 و استئوبلاست MG-63 در تماس با داربست هاي پليمري PLGA و کامپوزيتي PLGA/nBCP نشان داد که ميزان بقا و تکثير سلول ها براي هر دو رده سلولي روي داربست هاي کامپوزيتي در مقايسه با داربست هاي پليمري بيشتر است. جزء تقويتکننده nBCP از 30 تا 50 درصد وزني در داربست هاي کامپوزيتي سبب بهتر شدن رفتار سلولي به طور قابل ملاحظه اي شده و مي تواند شرايط لازم را براي ترميم بافت آسيبديده استخوان فراهم کند. با توجه به آزمون هاي انجام گرفته مي توان گفت که از ميان همه ي داربست هاي پليمري و کامپوزيتي، داربست کامپوزيتي PLGA/nano-BCP با 30 درصد وزني ذرات nano-BCP از خواص مکانيکي، تخريب پذيري و رفتار سلولي مناسب تري نسبت به ساير داربست ها برخوردار است. کلمات کليدي: فسفات کلسيم دوفازي، پلي لاکتيک-کو-گلايکوليک اسيد، نانوکامپوزيت، داربست، هيدروکسي آپاتيت، زيست فعالي، تخريب پذير، مهندسي بافت استخوان