SUPERVISOR
Neda Habibi,S.Mohammad Ghoreshi
ندا حبیبی (استاد راهنما) سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
STUDENT
Ehsan Tayerani nick nejad
احسان طیرانی نیک نژاد
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Electrospun and Synthesis of chitosan-Polyvinyl alcohol nanofibers with Fe3O4 magnetic nanoparticles for protein release
One of the important biomedical applications of nanotechnology currently being developed is drug release and drug delivery. The use of nanotechnology in medicine offers some exciting possibilities involving drug delivery in which a certain dosage of drug is released in a targeted area over a certain period of time. In this study, we investigated the use of nanofibers in drug delivery applications. Various polymers, both of natural and of synthetic origin, including chitosan and polyvinyl alcohol (PVA) were used to obtain highly ordered nanofibers. Nanofibers are widely used in tissue engineering for development of nanofibrous scaffolds. Tissue engineering is an interdisciplinary field which seeks to close the gap between engineering and medical science. Tissue engineering has created unique opportunity to fabricate tissues in the laboratory from a combination of cells and biologically active molecules. Scaffolds that mimic the in vivo extracellular matrices play an important role in the field of tissue engineering. In vivo extracellular matrix components are in the nanometer scale. Therefore, nanofibrous scaffolds provide a better environment in terms of cell adhesion, proliferation and performance compared to traditional scaffolds. Here amongst the various methods, electrospinning method was used for synthesis of polymer nanofibers. In this method, the nanofibers are generated by application of a strong electric field over aluminum surfaces. The shape and structure of nanofibers are influenced by processing parameters and solution properties such as viscosity, surface tension, dielectric constant, conductivity, concentration, polymer molecular weight, applied voltage, flow rate, distance between syringe and collector and syringe inner diameter. Electrospinning is a straightforward and cost-effective method of producing nanofibers from various natural and synthetic polymers. Nanofibers have been used in diverse field such as tissue culture and drug delivery due to their unique properties caused by high surface to volume ratio, high porosity and small pores. In this study, the morphology of the resultant nanofibers was studied by electron microscopy and the fiber thickness was estimated to be 60-200 nm. It was found that the best fibers in terms of thickness and charge are obtained at ratio of 70% wt PVA/30% wt chitosan. Fe 3 O 4 magnetic nanoparticles were used in the electrospinning solution either in the presence of a stabilizer or without a stabilizer. The results revealed that these magnetic nanoparticles did not precipitate in the presence of stabilizer in a short period of time. Glutaradehyde and tripolyphosphate were used as stabilizers. The presence of these nanoparticles was confirmed using electron microscopy. Also, FTIR demonstrated the presence of polymers and stabilizers. The use of these stabilizers in order to stabilize the magnetic nanoparticles in the nanofibers is a novel process in the field of tissue culture and drug delivery. In the next two steps, the nanofibers were broken by applying an magnetic field due to the presence of Fe 3 O 4 magnetic nanoparticles. The results showed that the magnetic nanoparticles are released in the presence of the magnetic field causing the targeted drug release. In addition, this method can be utilized in the release of some drugs as well as proteins. Eventually, a protein were applied in order to induce charge within the nanofibers. It was also applied as a real sample for release in a water system. The results confirmed the complete release of the protein within 3 hours. Therefore this technique can be used for the controlled release of drug in a certain period of time. Key Words: PVA- Cs nanofibers, bovine serum albumin delivery, charged magnetic
: یکى از کاربردهاى مهم فناورى نانو در حوزه پزشکی کاربردهای دارورسانی و مهندسی کشت بافت میباشد. هدف عمده مهندسی بافت، گرفتن سلول از یک منبع سلولی و رشد و توسعه آن در خارج از بدن و سپس انتقال آن به داخل بدن می باشد. داربست ها به عنوان تقلیدی از ماتریکس خارج سلولی در داخل بدن، نقش مهمی در مهندسی بافت ایفا می کنند. ماتریکس خارج سلولی در داخل بدن دارای اجزایی در مقیاس نانومتر می باشد. بر این اساس داربستهای بر پایه نانو الیاف محیط بهتری برای چسبندگی،تکثیر و عملکرد سلولها نسبت به داربستهای معمولی دارند. داربستها ضمن اینکه محیط مناسبی برای اتصال و رشد سلول فراهم میکند میتوانند مواد بیولوژیکی را نیز در خود بارگذاری کنند که در این راستا دستیابی به رهایش هدفمند این مواد بیولوژیکی از داربست نیز در رشد سلول اهمیت بسزا دارد. در این پژوهش از روش الکتروریسی به منظور ساخت نانو الیاف کیتوزان-پلی وینیل الکل استفاده شد و سپس با بارگذاری نانو ذرات مغناطیسی آهن در این الیاف، رهایش پروتئین آلبومین سرم گاوی(BSA) در غیاب و حضور میدان مغناطیسی متناوب بررسی شد. بدین منظور از پلیمرهای طبیعی کیتوزان و پلیمر سنتزی پلی وینیل الکل جهت رسیدن به ساختار منظم نانوالیاف استفاده گردید. پس از الکتروریسی، ساختار الیاف بهوسیله میکروسکوپ الکترونی بررسی و قطر نانو الیاف بین 90 تا 300 نانومتر مشاهده شد. سپس با تعیین بهترین نوع الیاف از جهت قطر و یکنواختی ، نسبت 70 درصد پلی وینیل الکل و 30 درصد کیتوزان به عنوان شرایط بهینه از نظر یکنواخنی نانوالیاف ، برای آزمایشهای بعدی انتخاب شد. در این آزمایشها شرایط منبع ولتاژ الکتروریسی 18ولت ، سرعت پمپ سرنگ ml/hr 8 و فاصله سرنگ تا نمونه cm15 انتخاب شد. نانوذرات مغناطیسی آهن تهیه شده از روش همرسوبی شیمیایی، در دو حالت با و بدون پایدارکننده در محلول کیتوزان، قرار گرفتند که باوجود پایدارکننده، در مدت چندین روز اثری از ته نشینی نانوذرات مغناطیسی آهن مشاهده نشد. محلول کیتوزان باوجود پایدارکننده هایی گلوتارآلدهید و تری hy;پلی فسفات و نانو ذرات مغناطیسی آهن مجددا الکتروریسی شد و ساختار الیاف و وجود نانوذرات توسط میکروسکوپ الکترونی مشاهده شد. در ادامه با استفاده از دستگاه طیف سنجی مادون قرمز(FTIR) وجود پیک های نانوذرات مغناطیسی آهن و پایدارکننده های تری پلی فسفات و گلوتارآلدهید و پلیمرها در الیاف به اثبات رسید. استفاده از این پایدارکننده ها برای تثبیت نانوذرات مغناطیسی در نانوالیاف، عملیاتی نو در زمینه ی کشت بافت و رهایش هدفمند است. در مرحله ی بعد از یک پروتئین جهت بارگذاری در نانو الیاف و رصد رهایش آن به عنوان نمونه ای واقعی از دارو استفاده شد. در این مرحله که تحقیق نوینی است و در پژوهش های قبل به ثبت نرسیده است، شکستن الیاف توسط میدان متناوب مغناطیسی به سبب وجود نانوذرات مغناطیسی آهن انجام پذیرفت و رهایش هدفمند پروتئین موجود از الیاف صورت گرفت. حضور الیاف کیتوزان به همراه نانو ذرات مغناطیسی در میدان متناوب سبب شد الیاف ، کاملا تغییر ساختار داده و شکسته شوند. این پدیده به حرکت نانو ذرات مغناطیسی تحت میدان متناوب مربوط است که باعث ایجاد تغییر در ساختار الیاف گردیده است. با این عمل درصد رهایش پروتئین از 13.2 درصد در غیاب میدان به 87.9 درصد در حضور میدان افزایش یافت و نتایج حاکی از رهایش هدفمند پروتئین در طی سه ساعت بود. این پدیده منحصربهفرد کاربردهای فراوانی را در عرصه دارورسانی و کشت بافت در کنترل رهایش مولکول ها ایجاد کرده و لذا میتوان ازاینروش برای رهایش هدفمند دارو در داربستهای سلولی باگذشت زمان استفاده کرد. واژگان کلیدی: نانو الیاف پلی وینیل الکل- کیتوزان، رهایش هدفمند پروتئین آلبومین سرم گاوی ، بارگذاری نانوذرات مغناطیسی