ساخت و مشخصه یابی سیمان نانوکامپوزیتی متخلخل کلسیم فسفات-لاپونیت برای پر کردن عیوب استخوانی

STUDENT

DEGREE

YEAR

An increase in the number of bone injuries consisted of bone defects and development of minimally invasive surgeries have led to development of injectable biomaterials with enhanced bone regeneration ability. The aim of present study was to fabricate porous nanocomposite of laponite (LAP): dexamethasone (DEX)-calcium phosphate bone cement. In the first step, DEX was encapsulated with concentration of 2 mg/ml into LAP nanodisks at different pHs (3, 7 and 13) and the effects of pH changes were assessed on the DEX loading efficiency. Moreover, DEX release mechanism in both acidic and physiological environments was evaluated. As prepared nanohybrids were evaluated using X-ray diffraction, scanning electron microscope, transmission electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, zeta potential and UV spectroscopy. Moreover, effects of LAP: DEX nanohybrids on the MG63 cell line behavior were studied. In the second step, calcium phosphate cement based on ?-three calcium phosphate (?-TCP-98 wt.%) and hydroxyapatite HA-2 wt.%) nanopowders as powder phase and a 2.5 wt.% Na 2 HPO 4 aqueous solution as liquid phase was fabricated and characterized. In order to improve the mechanical properties of calcium phosphate cement, LAP:DEX nanohybrids at different concentrations (0.5, 1, 2 and 3 wt. %) was added into powder phase of cement, and after optimization of LAP concentration based on mechanical and biological properties, the nanocomposites were employed as drug delivery system for controlled release of DEX. In the last step, porous nanocomposite calcium phosphate cement was made using NaHCO 3 as foaming agent, and the effects of its concentration on the mechanical and biological properties of cement were evaluated. Zeta potential and UV-vis results revealed that in acidic condition, DEX was loaded on the surface and interlayer space of LAP nanoplates through hydrogen bonds and electrostatic forces. Moreover, release of DEX from LAP nanoplates at both environments occurred in a sustained manner. Differently, in acidic condition, due to the protonation of LAP surfaces, the amount of released DEX was increased. On the other hand, the incorporation of LAP:DEX nanohybrids upon 2 wt.% led to significantly enhance in compression strength (1.4 times) and elastic modulus (2.5 times) compared to pure bone cement. Nevertheless, more increasing of LAP:DEX content led to reduce in mechanical properties of the nanocomposite cement. Moreover, incorporation of foaming agent to powder phase of cement containing 2 % LAP:DEX nanohybrid resulted in the development of porous nanocomposite cement consisting of 52.54±7.87 % macropores. Although macroporosity resulted a reduction in compression strength (10 times) and elastic modulus (4 times) of porous nanocomposite cement compared to those of bulk nanocomposite cement, they were still more than those of pure porous calcium phosphate cement. Cell culture was performed on the both bulk and porous nanocomposite cements. Results demonstrated that incorporation of LAP:DEX nanohybrids led to improvement of MG63 cell proliferation, adhesion and growth compared to free-LAP:DEX samples. Moreover, results of drug release from nanocomposite cements and porous nanocomposite cements displayed sustained release of DEX from these carriers. Finally, porous nanocomposite of LAP: DEX-calcium phosphate bone cement might be used as filler for bone defects and facilitate the regeneration of bone formation. Key words : Calcium phosphate cement, Laponite nanoplates, Dexamethasone and mechanical properties.

افزایش شمار آسیب‌های استخوانی شامل نقص‌های استخوانی و توسعه جراحی‌های با کمترین آسیب، تحقیقات را به سمت ساخت مواد قابل تزریق با توانایی بازسازی سریع بافت استخوان هدایت می‌کند. هدف از پژوهش حاضر، ساخت سیمان نانوکامپوزیتی متخلخل کلسیم فسفات -نانوصفحات لاپونیت:دگزامتازون می باشد. در این راستا، در مرحله اول، دگزامتازون در محیط‌هایی با pH مختلف 3، 7 و 13 درون لاپونیت با غلظت 2 میلی‌گرم بر میلی‌لیتر بارگذاری شد و تاثیر تغییر pH روی میزان داروی بارگذاری شده بررسی شد. همچنین، چگونگی رهایش داروی دگزامتازون از نانوصفحات لاپوینت در دو محیط اسیدی و شبیه‌سازی شده بدن مورد بررسی قرار گرفت. نانوهیبریدهای لاپوینت:دگزامتاون تهیه شده تحت آزمون‌های پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف‌سنجی فرو سرخ با تبدیل فوریه، میکروسکوپ الکترونی عبوری، پتانسیل زتا و طیف سنجی با اشعه ماوراء بنفش مورد ارزیابی قرار گرفتند. همچنین، تاثیر هیبرید حاصله بر سلول های MG63 مورد ارزیابی قرار گرفت. در مرحله دوم، سیمان کلسیم فسفات بر پایه پیش‌سازهای آلفا‌تری کلسیم فسفات نانومتری (?-TCP- 98 درصد وزنی) و هیدروکسی‌آپاتیت نانومتری (HA- 2 درصد وزنی) به‌عنوان فاز پودری و محلول آبی 5/2‌ درصد دی‌سدیم‌هیدروژن‌ فسفات به‌عنوان فاز مایع، تهیه و مشخصه یابی شد. با هدف بهبود خواص مکانیکی سیمان‌های کلسیم فسفات، نانوهیبرید لاپونیت:دگزامتازون در غلظت‌های مختلف 5 / 0، 1، 2، 3 درصد وزنی به سیمان‌ کلسیم فسفانی افزوده شدند و بعد از بهینه‌سازی غلظت لاپونیت:دگزامتازون بر اساس خواص مکانیکی و زیستی سیمان حاصله، از این نانوکامپوزیت برای رهایش کنترل شده دگزامتازون در محیط فیزیولوژِی استفاده شد. در مرحله آخر، سیمان استخوانی متخلخل نانوکامپوزیتی با استفاده از عامل فوم‌ساز بی کربنات سدیم ساخته شد و تاثیر مقدار عامل فوم ساز بر خواص مکانیکی، ساختاری و زیستی سیمان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از پتانسیل زتا و طیف سنجی فروسرخ با تبدیل فوریه نشان داد که داروی دگزامتازون در شرایط اسیدی بیشترین بارگذاری(80 / 0±10 / 95) را روی سطح و فضای بین لایه‌ای لاپونیت از طریق پیوندهای هیدروژنی و نیروهای الکترواستاتیک دارا می‌باشد. بعلاوه، رهایش داروی دگزامتازون در هر دو محیط کاملاً بصورت کنترل شده بود، با این تفاوت که در محیط اسیدی به دلیل پروتونه شدن سطح لاپونیت، میزان رهایش دارو افزایش پیدا کرد. همچنین، افزودن دو درصد وزنی نانوهیبرید لاپونیت:دگزامتازون به سیمان کلسیم فسفات سبب افزایش 4 / 1 برابری استحکام فشاری و 5/2 برابری ضریب کشسانی سیمان شد. با وجود این، افزودن مقدار بیشتر هیبرید سبب افت خواص مکانیکی سیمان شد. علاوه بر این، حضور هیبرید لاپونیت:دگزامتازون سبب کاهش زمان نهایی سفت شدن سیمان از 43 / 5±67 / 36 دقیقه به 71 / 5±8 / 26 شد. با افزودن عامل تخلخل‌زا به فاز پودری سیمان حاوی دو درصد وزنی لاپونیت:دگزامتازون، سیمان نانوکامپوزیتی متخلخل حاوی 87 / 7±54 / 52 درصد ماکروتخلخل ایجاد شد. اگر چه، حضور ماکروتخلخل ها سبب افت استحکام فشاری و مدول الاستیک سیمان متخلخل نانوکامپوزیتی بهینه بترتیب 10 و 4 برابر در مقایسه با سیمان نانوکامپوزیتی بدون تخلخل شد، اما همچنان در مقایسه با سیمان کلسیم فسفات متخلخل دارای خواص مکانیکی بالاتر (استحکام فشاری 35 / 0±60 / 2 در مقایسه با 18 / 0±25 / 1 در سیمان کلسیم فسفات متخلخل و ضریب کشسانی 01 / 0±28 / 0 در مقایسه با 02 / 0±11 / 0 در سیمان کلسیم فسفات متخلخل)بود. آزمون کشت سلولی روی نمونه‌های نانوکامپوزیتی و نانوکامپوزیتی متخلخل سیمان با استفاده از سلول های MG63 انجام شد. نتایج نشان دادند با افزودن نانوهیبرید لاپونیت:دگزامتازون، قابلیت تکثیر، چسبندگی و رشد سلول ها نسبت به نمونه‌های سیمانی بدون نانوصفحات لاپونیت بهبود یافت. همچنین، نتایج رهایش دارو از سیمان‌های نانوکامپوزیتی و نانوکامپوزیتی متخلخل حاکی از رهایش کنترل شده دگزامتازون از این سیمان‌ها بود. بر این اساس، سیمان نانوکامپوزیتی متخلخل لاپونیت:دگزامتازون- کلسیم فسفات می‌تواند بعنوان پرکننده نقص‌های استخوانی استفاده شوند و به احیای سریع‌تر استخوان کمک کند. کلمات کلیدی : سیمان کلسیم فسفات، نانوصفحات لاپونیت، دگزامتازون و خواص مکانیکی