SUPERVISOR
Roohollah Bagheri,TAYEBEH BEHZAD,Laleh Ghasemi Mobarakeh
روح اله باقری (استاد راهنما) طیبه بهزاد (استاد راهنما) لاله قاسمی مبارکه (استاد مشاور)
STUDENT
MohammadSaeid Enayati
محمدسعید عنایتی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Fabrication, characterization, and mechanical analysis of poly (vinyl alcohol)/nanohydroxy apatite electrospun biocomposite scaffolds reinforced by cellulose nanofibers for bone tissue engineering application
Taking into account advantagous properties of nanofibers in tissue engineering, fibrous biocomposites scaffolds of poly(vinyl alcohol) (PVA), nanohydroxy apatite (nHAp) and cellulose nanofibers(CNF) electrospun and characterized. Scanning electron microscopy (SEM) and filed emission SEM (FE-SEM) were applied to investigate morphology of spun fibers. The 8 wt.% PVA solution at 15 cm electrospinning distance resulted in bead-free fibers with 238±38 nm average diameter. Loading 1 to 15 wt.% nHAp into PVA solution, it was shown that at 10 wt.% of nanoparticles, fibrous scaffolds with appropriate mechanical and morphological properties were obtained. Then, different amounts of CNF were loaded into PVA/nHAp10. By increasing nHAp and also CNF average diameter of fibers decreased to lower than 150 nm. Both nanofillers corporation and probable interactions caused emergence of new peaks and also change in position available peak in ATR-FTIR patterns, respectively. Thermal behaviour analysis proved that electrospinning and filler addition led to increase in glass transition temperature (T g ) and crystalline temperature (T c ), but reduction ofmelting point (T m ). Wide angle x-ray scattering (WAXS) was applied to study supermolecular structure of electrospun fibers. PVA powder WAXS pattern displayed four distinct crystalline peak, however, electrospinning and filler addition left only one broad peak at 19.3°, which are evidences for PVA crstallinity reduction. In the case of electrospinning, this effect is observed due to extremely short time of solvent evaporation during the process resulting in stopping of crystallization at the early stage. In the case of additives, the mechanism of PVA crystallinity reduction is most probably due to the interactions between –OH groups in matrix (PVA) and nanofillers as well as calcium ions in nHAp. Tensile mechanical characterization of fibrous scaffolds was carried out. it was obtained that PVA/nHAp at 10 wt.% nanoparticles (PVA8/nHAp10) had the highest tensile modulus (142.84±7.10 MPa). Adding 3 wt.% of CNF to this sample resulted in a 3-component composite scaffold (PVA8/nHAp10/CNF3) with 322.90±20.47 MPa modulus. Heat treatment of scaffolds at 180 o C made them stable against water disintegration. Hydrophilicity of scaffolds was investigated by contact angle method which was determined that PVA composite fibers were more hydrophil than pure PVA fibers. In addition, biodegradability in demonstrated that nanofillers (nHAp and CNF) reduced degradation rate of scaffolds. Biomineralization in SBF also was done which showed higher mineralization of composite scaffolds, compared to pure PVA scaffold. MTT assay proved that both nHAp and CNF decreased cytotoxicity of PVA scaffold. Furthermore, cell attachment, characterized by SEM, and functionality, investigated by alkaline phosphatase (ALP) and alizarin red, proved that nanocomposite scaffolds had higher potential in MG-63 osteoblast growth, proliferation and osteogenic activity. Another aim of current study was to investigate the mechanical properties of electrospun PVA and its nanocomposites. Tensile test and AFM nanoindentaion were applied to measure tensile modulus of elecrospun scaffolds and electrospun single fibers, respectively. In addition, theoretical models were used to predict stiffness of nanocomposites and verify their accuracy by experimental data. In conclusion, Generally, the obtained results confirm that the 3-component fibrous scaffold of PVA/nHAp/CNF has promising potential in hard tissue engineering. Keywords: Poly (vinyl alcohol), Biocomposite, Electrospinning, Electrospun scaffold, Bone tissue engineering
با توجه به ویژگیهای مطلوب نانوالیاف در کاربرد آنها به عنوان داربست در مهندسی بافت و به منظور بهرهگیری همزمان از خواص پلی (وینیل الکل) (PVA) به عنوان پلیمر مصنوعی قابل حل در آب، خواص زیستی هیدروکسی آپاتیت (nHAp) و خواص مکانیکی بالا، فراوانی و تجدیدپذیری سلولز، داربستهای نانولیفی زیستی کامپوزیتی سه جزیی PVA/nHAp/نانوالیاف سلولزی (CNF) الکتروریسی و مشخصهیابی شدند. برای بررسی مورفولوژی نانوالیاف الکتروریسی شده از SEM و FE-SEM استفاده شد. در غلظت 8% وزنی پلیمر خالص و فاصله الکتروریسی cm 15، داربستهایی با مورفولوژی مناسب (الیاف بدون گره با قطر متوسط nm 38±238) تولید شدند. در ادامه نسبتهای وزنی مختلف از nHAp به محلول پلیمری اضافه و نسبت مناسب آن از لحاظ خواص مکانیکی و مورفولوژی (شامل 10% وزنی nHAp) جهت افزودن درصدهای مختلفی از CNF انتخاب گردید. در 10% وزنی nHAp قطر الیاف تا حدود nm 140 کاهش یافت. افزودن CNF تا 5% وزنی تغییر چندانی روی قطر الیاف الکتروریسی شده نداشت. با توجه به ایجاد پیکهای جدید در مقایسه با PVA خالص و تغییر در موقعیت و شدت پیکها، آزمون ATR-FTIR نشان دهنده برهمکنشهای میان هر سه ماده به دلیل وجود گروههای هیدروکسیل در آنها و نیز یونهای کلسیم در nHAp بود. در مقایسه با PVA پودری، بررسی رفتار حرارتی با DSC مشخص کرد که هم فرآیند الکتروریسی و هم افزودن هر دو نانوماده موجب افزایش دمای شیشهای (حدود °C 3-6)، کاهش دمای ذوب (حدود °C 5) و افزایش دمای بلورینگی (حدود °C 10-15)، میشود. به منظور بررسی ساختار بزرگ مولکولی داربستها از آزمون WAXS استفاده شد. الگوی WAXS مربوط به PVA پودری، چهار پیک بلورینگی را نشان داد که پس از الکتروریسی و با افزودن نانومواد، این پیکها به یک پیک کاهش یافته و پهنای آنها نیز بیشتر شد که بیانگر کاهش بلورینگی و برهمکنش میان اجزا هستند. با مشخصهیابی مکانیکی توسط دستگاه کشش مشخص شد که داربستهای نانولیفی کامپوزیتی دو جزیی PVA/nHAp در 10% وزنی nHAp دارای بالاترین مدول کششی (MPa10/7±84/142) است. با افزودن مقادیر مختلف CNF به این ترکیب، در 3% وزنی CNF مدول تا بیش از دو برابر افزایش نشان داد (MPa47/20±90/322). به منظور پایداری داربستها در برابر آب از روش حرارتدهی تا دمای °C180 استفاده شد که مشخصهیابیهای صورت گرفته، موفقیت آمیز بودن این روش را نشان داد. مقایسه داربستهای تهیه شده از پلیمر خالص با داربستهای نانوکامپوزیتی نشان داد که حضور نانومواد، باعث افزایش آبدوستی (86/4±9/24 درجه) در مقایسه با داربست PVA خالص (70/4±1/35 درجه)میگردد. در آزمون تخریب پذیری در ، اگرچه میزان تخریب داربست نانوکامپوزیتی کمتر از داربست PVA خالص بود، ولی تا پایان 4 هفته 5/2±1/25 درصد افت وزن نشان داد (PVA خالص 2/3±4/43 درصد). بررسی معدنی شدن داربست نانوکامپوزیتی برخلاف PVA خالص، تشکیل آپاتیت را از روز اول غوطهوری در SBF نشان داد. همچنین در آزمون بررسی سمیت MTT مشخص شد که داربستهای نانوکامپوزیتی، سمیت کمتری را نسبت به پلیمر خالص دارند. بررسی چسبندگی سلولی توسط SEM و نیز آزمون فعالیت آلکالین فسفاتاز (ALP) و آلیزارین قرمز نشان داد که رشد سلولها روی داربستهای کامپوزیتی و نیز فعالیت ALP آنها نسبت به PVA خالص بالاتر است. در قسمت پایانی پژوهش با هدف پیشبینی و تطبیق میان دادههای تجربی و نظری، از مدلهای مکانیکی و نیز مدلهای ساختاری به ترتیب برای پیشبینی مدول داربستها از دیدگاه تک لیف نانوکامپوزیتی و نیز از دیدگاه یک ساختار متخلخل (شبیه فوم سلول باز) استفاده شد. وجود تخلخل بالای 70%، همراه با نتایج مثبت آزمونهای تخریبپذیری، آبدوستی، معدنی شدن، MTT، چسبندگی سلولی، ALP و آلیزارین قرمز نشان میدهد که داربستهای زیست نانوکامپوزیتی ساخته شده در این پژوهش میتواند گزینه امیدوار کنندهای جهت استفاده در مهندسی بافت استخوان باشد. کلمات کلیدی : پلی (وینیل الکل)، زیست کامپوزیت، الکتروریسی، داربست الکتروریسی شده، مهندسی بافت استخوان