SUPERVISOR
Mohammad Hosein Fathi,Shadpour Mallakpour
محمدحسین فتحی (استاد راهنما) شادپور ملک پور (استاد مشاور)
STUDENT
Zeinab Fereshteh
زینب فرشته
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Preparation and optimization of magnesium flouradated hydroxyapatite nanoparticles and poly (?-caprolactone) nanocomposite scaffold- nanoparticles for bone tissue engineering
The aim of this study was to prepare and characterize the poly (?-caprolactone)/Mg-doped fluorapatite nanoparticles (PCL/nMg-FA) nanocomposite electrospun scaffolds. The first step Of this work, The nanostructured fluorapatite (FA; Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2-x F x ) was synthesized with the starting materials of CaCO 3 , P 2 O 5 and CaF 2 via a mechanochemical process. The effects of milling time and fluorine ion concentration were investigated. The products characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis. The FA nanoparticles with an average diameter of about 15-30 nm were successfully prepared after 10 h milling time. The results show incorporation of F ions into the apatite resulted in the decrease of the lattice parameters (about 1.15 %). The effect of solvent type on distribution of nanoparticles and mechanical properties of the scaffolds was also investigated in order to obtain an optimized composition. The optimized conditions were obtained by changing the electrospinning parameters such as: Polymer concentration, applied voltage and nozzle to collector distance. Electrospun nanofibers prepared by ethanol/chloroform system are more uniform (0.692±0.0783) µm) and several times smaller than those obtained by other systems. Addition of Mg-FA nanoparticles decreased the average fiber diameters from 0.490±0.073 µm (pure PCL scaffold) to 0.322±0.199 µm (PCL-20 wt. % nMg-FA scaffold). Optimized nanofibrous scaffold was obtained by 5 wt. % nMg-FA while its tensile strength and elastic modules were significantly enhanced compered to PCL scaffolds. The scaffolds were characterized with regard to structural and mechanical properties, degradation, bioactivity and cellular interactive responses. However, due to the high surface energy of such , they cannot be well dispersed in a biopolymer matrix to prepare a polymer/ceramic composite, which is usually demanded for tissue engineering applications. To overcome this shortcoming, the surface of nMg-FA was modified using a few well-known natural amino acids as the cost-effective and environment-friendly biomaterials in the present research. The L-leucine, L-isoleucine, L-alanine and L-phenylalanine amino acids were employed as the coupling agents and the surface modification of nMg-FA was carried out by means of sonication technique. The results confirmed that using amino acid molecules leads to the uniform dispersion of nMg-FA in the organic environment by making the surface of hydrophobic, although the length and chemical reactivity of amino acid molecules affect the efficiency of dispersion. The uniform distribution of nMg-FA is a desired condition for polymer/ceramic composite preparation which is highly applicable for biomedical purposes. At that point, Mg-doped fluorapatite nanoparticles was surface modified using amino acids as modifier and PCL surface modified Mg-doped fluorapatite nanoparticles scaffolds were developed. This scaffold was also characterized with regard to structural and mechanical properties, degradation, bioactivity and cellular interactive responses. Keywords : Mechanochemical process, Electrospining, Mg-doped fluorapatite nanoparticles, Nanocomposite, Surface modification.
هدف از پژوهش حاضر طراحی، توسعه نانوفناوری در ساخت، بهینهسازی و مشخصهیابی نانوذرات منیزیم فلوئورآپاتیت و نیز داربستهای نانوکامپوزیتی پلیمر - نانوذرات بهینه شده منیزیم فلوئورآپاتیت با انگیزه ترمیم و بازسازی دوباره استخوان برای کاربردهای خاص بود. در ابتدا نانوذرات فلوئور هیدروکسی آپاتیت با روش فعال سازی مکانیکی ساخته شد. سپس جایگزینی یون منیزیم به جای یون کلسیم در شبکه بلوری نانوذرات فلوئور هیدروکسی آپاتیت به انجام شد. تاثیر مقدار یون جایگزین شده در شبکه بلوری نانوذرات فلوئور هیدروکسی آپاتیت بررسی شد. به منظور بررسی تاثیر روش ساخت بر روی خواص نانوذرات منیزیم فلوئور هیدروکسی آپاتیت، نانوذرات مذکور با روش سل-ژل نیز ساخته شد و خواص زیستفعالی نانوذرات ساخته شده به دو روش سل-ژل و فعالسازی مکانیکی مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور افزایش ظرفیت محلول پلیمری جهت بارگذاری نانوذرات، سطح نانوذرات با استفاده از آمینواسیدهای ایزولوسین، لوسین، آلانین و فنیل آلانین اصلاح شد. سپس داربست نانوکامپوزیتی پلیکاپرولاکتون – منیزیم فلوئور هیدروکسی آپاتیت به روش الکتروریسی ساخته شد. پارامترهای مختلف فرایند الکتروریسی توسط مدل تاگوچی مورد بررسی قرار گرفت. به منظور کاهش قطر الیاف، از سیستم دوحلالی بهره گرفته شد و در نهایت محلول با حلال کلروفرم:اتانول با نسبت (20:80) و غلظت پلیمر 12 درصد وزنی برای ساخت داربست نانوکامپوزیتی با غلظتهای مختلف نانوذرات (1، 5، 10، 15 و 20 درصد وزنی) مورد استفاده قرار گرفت. در ابتدا با افزایش میزان نانوذرات بیوسرامیکی (5%)، استحکام کششی نیز افزایش مییابد. با افزایش بیشتر نانوذرات درون کامپوزیت، خواص مکانیکی کاهش می یابد. خواص زیستفعالی و زیست اضحلالی ارزیابی شد و آزمون کشت سلول برای سنجش چسبندگی سلولی داربستهای نانوکامپوزیتی ساخته شده به اجرا در آمد. همچنین نانوذرات ساخته شده به روش سل – ژل از سرعت تخریب کمتری برخوردار بوده و سرعت تشکیل آپاتیت بالایی نیز دارند که میتواند به دلیل دارا بودن خواص زیستفعالی بیشتر نانوذرات ساخته شده با روش سل-ژل باشد. نتایج حاصل از مدل تاگوچی نشان داد که میزان تاثیر گذاری غلظت پلیمر و نوع حلال از دیگر پارامترهای مورد بررسی بیشتر است. همچنین پارامترهای ولتاژ اعمالی، فاصله نازل تا جمع کننده و غلظت سرامیک در رتبههای بعدی قرار دارد. داربستهای نانوکامپوزیتی ساخته شده با نانوذرات منیزیم فلوئور هیدروکسی آپاتیت اصلاح شده خواص آبدوستی بهتری را نسبت به داربستهای نانوکامپوزیتی ساخته شده با نانوذرات اصلاح نشده دارد. توزیع نانوذرات منیزیم فلوئور هیدروکسی آپاتیت اصلاح شده در داربست کامپوزیتی بسیار یکنواخت و مطلوب بود. افزایش نانوذرات منیزیم فلوئور هیدروکسی آپاتیت اصلاح شده سبب افزایش قابل توجه خواص زیستفعالی و چسبندگی سلولی داربست نانوکامپوزیتی شد. خواص زیستاضمحلالی داربستهای نانوکامپوزیتی ساخته شده با نانوذرات منیزیم فلوئور هیدروکسی آپاتیت اصلاح شده در مقایسه با سایر نمونهها کاهش سرعت تخریب داربستهای نانوکامپوزیتی را اثبات نمود. داربست های نانوکامپوزیتی ساخته شده با خواص بهبود یافته و بهینه، کاندیدای مناسبی برای بازخلق بافت استخوان است. کلمات کلیدی: فرایند فعالسازی مکانیکی، الکتروریسی، نانوذرات منیزیم فلوئور هیدروکسی آپاتیت، نانوکامپوزیت، اصلاحسازی سطح.