SUPERVISOR
شقايق حق جو جوانمرد (استاد راهنما) رحمت اله عمادي (استاد راهنما) محمدحسين فتحي (استاد مشاور)
STUDENT
Hamed Ghomi
حامد قمي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Fabrication, Characterization and Improvement of Mechanical, Bioactivity, and Cellular Properties of Nanostructure Diopside-Bredigite Composite Scaffolds by Gelatin Coating for Application in Bone Tissue Engineering
One of the significant challenges in bone tissue engineering, is the fabrication of highly porous scaffolds (?80%) with interconnected pores and appropriate mechanical strength. Commonly available synthetic scaffolds made of ceramic or polymer but a better combination of properties can be achieved with a composite or multi-component structure. Using composites is a method to take advantage of both polymer and ceramic qualities, ideally to achieve materials with high stiffness and high toughness. Among the bioceramics used for tissue engineering scaffolds, bioactive silicate ceramics such as diopside (Dp) and bredigite (Br) have been paid much attention in recent researches. Dp and Br have high mechanical and bioactivity properties, excellent biocompatibility, and appropriate degradation rate. In addition to, it is recognized that the degradation products of them in physiologic fluids, such as Si, Ca, and Mg, could promote the proliferation and differentiation of osteoblast cells. Despite the benefits mentioned for Dp and Br, there are few articles about building their scaffolds. Considering benefits of nanostructure bioceramics, in this study efforts were focused on the fabrication of nanostructure Dp/Br composite scaffolds by using gelcasting and space holder methods. For this purpose, Dp and Br nanopowders were synthesized by the sol-gel and mechanical alloying methods and nanocomposite scaffold were prepared on addition of B r to pure Dp, in proportion of 0, 25, 50, 75, and 100 wt.% . The prepared scaffolds were finally coated with 0, 2.5, 5, 7.5, and 10 wt.% gelatin soulution to improve their toughness and compressive strength. X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and Transmission electron microscopy (TEM) were used to characterize and evaluate the phase structure, crystallite size, morphology, size and distribution of the pores, chemical composition and particle size of the prepared powders and composite scaffolds. The porosity of the scaffolds was measured by Archimedes method. The compressive tests were performed on samples consisting of cylindrical bars with a crosshead speed of 0.5 mm/min. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to study the structure of gelatin coating befor and after crosslinking. To evaluate the bioactivity and bioresorbability, the scaffolds were immersed in the simulated body fluid (SBF) for 28 days. The concentration of the Mg and P ions in the filtered solutions were determined by inductive coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES). FTIR, XRD, EDS and SEM were used to investigate the bone like apatite formation on the surface of the scaffolds and pores filling by formation of apatite. The viability, proliferation, and adhesion of cells and also the alkaline phosphatase activity were determined by culturing Saos-2 cells on the scaffolds for 1, 3 and 7 days. The results showed that the scaffolds have a crystallite size smaller than 40 nm. NaCl spacer showed a uniform porous structure with open spherical pores (400-600 µm), as compared with NH 4 HCO 3 spacer which showed an irregular pore morphology (150-400 µm). On the other hand, the scaffolds prepared by gelcasting method showed a wide range of pore size distribution (200-800 µm). The prepared nanostructure Dp/Br composite scaffolds had a highly porous structure (83-86%) with 80-84% open porosity. Polymer coating with 5 wt.% gelatin solution led to a 3- to 3.4-fold increase of the compressive strength and 5.7- to 7.7-fold increase of the toughness while reducing the total porosity was about 7%. In addition, polymer coating with 2.5 wt.% gelatin solution led to a 1.9- to 2.2-fold increase of the compressive strength and 3.2- to 3.7-fold increase of the toughness while reducing the total porosity was about 4%. The compressive strength of the prepared scaffolds with total porosity more than 70% was in the range of 0.98-4.62 MPa, which was in the range of the compressive strength of the spongy bone. . The novel nanostructure composite scaffolds described in this study seems to be suitable for bone repair and regeneration in bone tissue engineering. Keywords : Diopside; Bredigite; Gelatin; Gelcasting; Space holder; Scaffold; Nanocomposite; porosity; Mechanical properties; tissue engineering.
چکيده يکي از چالشهاي اساسي در مهندسي بافت استخوان، ساخت داربست با تخلخل زياد (بيش از 80%) و استحکام مکانيکي مناسب است. داربستهاي مصنوعي رايج معمولاً از سراميک يا پليمر تهيه ميشود اما ترکيب بهتري از خواص با يک کامپوزيت حاصل ميگردد که مزاياي هر دو مادهي پليمري و سراميکي را دارا ميباشد. در بين زيستسراميکهاي مورد استفاده براي داربستهاي مهندسي بافت، سراميکهاي سيليکاتي زيستفعال مانند ديوپسيد (Dp) و بريديجيت (Br) توجه به خصوصي را در تحقيقات اخير به خود جلب کرده است. Dp و Br داراي خواص مکانيکي و زيستفعالي بالا، زيست سازگاري عالي و نرخ تخريب مناسب ميباشند. علاوه بر اين، مشخص شده که محصولات تخريب اين سراميکها در مايعات فيزيولوژيک مانند Si، Ca و Mg ميتواند تکثير و تمايز سلولهاي استئوبلاست را ترغيب نمايد. در اين پژوهش با توجه به مزاياي زيستسراميکهاي نانوساختار تلاش بر توليد داربستهاي کامپوزيتي نانوساختار Dp و Br به روش قالبريزي ژل و پرس پودر با فضاساز متمرکز شد. به اين منظور نانوپودرهاي Dp و Br به روش سل-ژل و آسيابکاري مکانيکي و داربستهاي نانوکامپوزيت با اضافه کردن پودر Br به پودر Dp به ميزان صفر، 25، 50، 75 و 100 درصد وزني توليد شد. داربستهاي توليدي در نهايت با محلول 0، 5 / 2، 5، 5 / 7 و 10 درصد وزني ژلاتين به منظور بهبود چقرمگي و استحکام فشاري پوشش داده شد. آزمونهاي پراش پرتو ايکس (XRD)، ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)، آناليز عنصري با تفکيک انرژي پرتو ايکس (EDX) و ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) به منظور بررسي ساختار فازي، مورفولوژي و توزيع اندازه حفرهها، ترکيب شيميايي و اندازه ذرات پودرهاي اوليه استفاده شد. ميزان تخلخل نمونهها به دو روش ارشميدس و همچنين اندازهگيري ابعاد داربستها تعيين شد. آزمون فشار بر روي داربستهاي استوانهاي با سرعت اعمال فشار 5 / 0 ميليمتر بر دقيقه انجام شد. آزمون طيفسنجي فروسرخ با تبديل فوريه (FTIR) به منظور مطالعه ساختار پوشش ژلاتين قبل و بعد از ايجاد اتصالات عرضي استفاده شد. آزمون غوطهوري در محلول شبيهسازي شده بدن (SBF) به منظور بررسي خواص زيستفعالي و زيستاضمحلالي داربستهاي توليدي انجام گرفت و از FTIR، XRD، SEM و EDX براي تشخيص و تأييد تشکيل لايه آپاتيت و بررسي ميزان پرشدن حفرهها استفاده شد. از تکنيک طيفسنجي نشري نوري زوج پلاسماي القايي (ICP-OES) براي تعيين ميزان رهايش يونهاي Mg و P استفاده شد. به منظور بررسي تکثير و چسبندگي سلولي و همچنين فعاليت آلکالين فسفاتازي کشت سلول بر روي داربستها به مدت 1، 3 و 7 روز با استفاده از سلول Saos-2 انجام گرفت. نتايج به دست آمده نشان داد که داربستهاي توليدي داراي اندازه بلورک کمتر از 40 نانومتر است. استفاده از فضاساز NaCl يک ساختار متخلخل يکنواخت با حفرههاي باز کروي (mµ600-400) را در مقابل استفاده از فضاساز NH 4 HCO 3 که داراي مورفولوژي حفرههاي نامنظم (mµ400-150) ميباشد، نشان داد. داربستهاي توليد شده توسط روش قالبريزي ژل توزيع اندازه حفره وسيعي (mµ800-200) را نشان داد. داربستهاي کامپوزيتي نانوساختار Dp-Br توليد شده داراي تخلخل کل 83 تا 86 و تخلخل باز 80 تا 84 درصد ميباشد. اعمال پوشش پليمري با محلول 5 درصد وزني ژلاتين منجر به افزايش تقريباً 3 تا 4 / 3 برابري استحکام فشاري و 7 / 5 تا 7 / 7 برابري چقرمگي ميگردد در حالي که کاهش تخلخل کل حداکثر 7 درصد ميباشد. همچنين اعمال پوشش پليمري با محلول 5 / 2 درصد وزني ژلاتين منجر به افزايش تقريباً 9 / 1 تا 2 / 2 برابري استحکام فشاري و 2 / 3 تا 7 / 3 برابري چقرمگي ميگردد در حالي که کاهش تخلخل کل حداکثر 4 درصد ميباشد. استحکام فشاري داربستهاي توليدي با تخلخل کل بيش از 70 درصد در محدوده 98 / 0 تا 62 / 4 مگاپاسکال است که در محدوده استحکام فشاري استخوان اسفنجي ميباشد. نتايج آزمون غوطهوري در محلول SBF، زيستفعالي و زيستاضمحلالي بالاي داربستهاي توليدي را تأييدکرد. نتايج آزمون کشت سلولي چسبندگي، تکثير سلولي و فعاليت آلکالين فسفاتازي بالاي داربستهاي توليدي را نشان داد. ساختار نانو داربستهاي توليدي و ميکروتخلخلهاي موجود در ساختار داربست منجر به ايجاد مساحت سطح مخصوص زياد ميشود که ميتواند باعث افزايش زيستفعالي، رهايش محصولات يوني، و چسبندگي سلولي گردد. داربستهاي کامپوزيتي نانوساختار جديد توليد شده در اين مطالعه ميتواند کانديد مناسبي براي ترميم و بازسازي استخوان در مهندسي بافت استخوان باشد. کلمات کليدي : ديوپسيد؛ بريديجيت؛ ژلاتين؛ قالبريزي ژل؛ پرس پودر؛ داربست؛ نانوکامپوزيت؛ تخلخل؛ خواص مکانيکي؛ مهندسي بافت