طراحی ساخت و مشخصه یابی داربست نانو کامپوزیتی لیفی پلی کاپرولاکتون - فورستریت برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان

STUDENT

DEGREE

YEAR

The basic aim of this research is to develop novel nanofibrous scaffolds through electrospinning of PCL-forsterite nanopowder. The scaffolds were characterized with regard to structural and mechanical properties, degradation, bioactivity and cellular interactive responses. Then, forsterite nanopowders was surface modified using esterification reaction and PCL-surface modified forsterite scaffolds were developed. At the next step, due to low hydrophilicity of synthetic polymers, gelatin fibers were also added to PCL-forsterite scaffolds through sequential electrospinning method and the effects of the layer-by-layer structure on the physical, mechanical and biological properties of scaffolds were investigated. Due to suitable effects of differentiation factors on the osteogenesis and bone treatment, dexamethasone was added during the electrospinning of pure PCL and PCL-forsterite scaffolds. Finally, the effects of forsterite nanopowder and fibrous architecture on the drug release kinetics were studied. Results showed that forsterite nanopowder enhanced mechanical properties, the degradation rate and bioactivity of PCL scaffold. Furthermore, composite nanofibrous scaffolds possessed significantly improved cellular responses in terms of attachment, proliferation and mineralization of pre-osteoblasts compared to PCL one. Surface modification of nanoparticles significantly enhanced the tensile strength and modulus of scaffolds compared to unmodified samples, respectively, due to improved compatibility between matrix and filler. Furthermore multilayered scaffolds with 40 micrometer pore sizes could be obtained through subsequent electrospinning technique. The addition of gelatin layer dramatically improved the hydrophilicity of PCL-F scaffold, while did not significantly change its stiffness and strength. Moreover, compared to pure gelatin scaffold, the attachment and proliferation of SHED cultured on the multilayered fibrous scaffolds were not significantly different. Studies demonstrated that while dexamethasone release was sustained over a period of 4 weeks, its kinetic was governed by the membrane architecture and composition. Forsterite nanopowder inclusion, as a determining factor for drug release, changed the kinetic of DEX release from Fickian diffusion to an anomalous traort. Furthermore, while DEX release decreased SHED proliferation, stimulated mineralization. Thus, the currently developed nanofibrous composite membranes embedded in forsterite nanopowder expected to be attractive in GBR membrane applications. Key words : Bone tissue engineering; Electrospinning; Forsterite; Drug release.

تلاش های زیادی به منظور بکارگیری مهندسی بافت در جهت ترمیم و بازسازی اعضای مختلف بدن انجام شده است. در این میان، استفاده از مهندسی بافت برای بازسازی عیوب و نواقص استخوانی به منظور تقلید از مکانیزم طبیعی بدن در ترمیم بافت، از اهمیت زیادی برخوردار است. با توجه به ساختار لیفی نانوکامپوزیتی زمینه استخوان، ساخت داربست نانوکامپوزیتی زمینه پلیمری با پرکننده نانومتری می تواند در جهت بهبود و التیام سریعتر عضو بیمار موثر باشد. امروزه، فرایند الکتروریسی یکی از روش های موثر برای ساخت داربست های نانولیفی است. بر این اساس، هدف از پژوهش حاضر طراحی، ساخت و مشخصه یابی داربست های لیفی نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون- فورستریت با استفاده از فرایند الکتروریسی است. در این پژوهش، ابتدا با ساخت داربست خالص پلی کاپرولاکتون، پارامترهای مختلف فرایند الکتروریسی و محلول پلی کاپرولاکتون در جهت ایجاد ساختاری با کمترین قطر الیاف و مورفولوژی بهینه انجام شد. در ادامه، محدوده بهینه غلظت فورستریت نانومتری در زمینه پلی کاپرولاکتون با استفاده از فرایند طراحی آزمون تاگوچی، تعیین و بر اساس آن داربست پلی کاپرولاکتون-فورستریت با درصدهای مختلف فورستریت نانومتری به منظور تعیین داربست بهینه از نظر خواص مکانیکی، نرخ تخریب زیستی، زیست فعالی و زیست سازگاری، بررسی شدند. همچنین، اثرات فورستریت نانومتری بر ضریب کشسانی داربست های لیفی با استفاده از مدل های ریاضی پیش بینی شد. در ادامه به منظور بهبود توزیع یکنواخت نانوذرات فورستریت در زمینه پلی کاپرولاکتون، نانوذرات فورستریت با استفاده از فرایند شیمیایی، اصلاح سازی سطحی شده و اثرات این اصلاح سازی بر خواص فیزیکی، مکانیکی، ساختاری و بیولوژیکی داربست نهایی بررسی شد. از آنجایی که یکی از مهمترین محدودیت های پلیمرهای مصنوعی، آبدوستی ضعیف آن ها است، داربست لیفی لایه-لایه از پلی کاپرولاکتون-فورستریت و ژلاتین با استفاده از فرایند الکتروریسی ساخته و اثرات این ساختار بر قابلیت چسبندگی و رشد سلولی، خواص مکانیکی، فیزیکی و تغییرات مورفولوژی داربست ها بررسی شد. با توجه به اثرات مفید فاکتورهای تمایز در تسریع التیام و استخوان سازی، داروی دگزامتازون در حین فرایند ساخت داربست های خالص پلی کاپرولاکتون و کامپوزیت پلی کاپرولاکتون-فورستریت، به آن ها اضافه شد و نقش نانوذرات فورستریت و نوع آرایش الیاف در داربست ساخته شده بر نرخ رهایش دارو و سینتیک آن ارزیابی شد. نتایج تحقیقات نشان داد که حضور نانوذرات فورستریت در الیاف پلی کاپرولاکتون سبب کاهش قطر الیاف و افزایش قابل توجه خواص مکانیکی داربست ها در مقایسه با پلی کاپرولاکتون خالص شد. داربست های لیفی با الیاف جهت دار خواص مکانیکی غیریکنواختی را در دو جهت موازی و عمود بر اعمال بار از خود نشان می داد، ضمن آنکه خواص مکانیکی افزایش قابل توجهی نسبت به داربست های با الیاف تصادفی داشت. نتایج انطباق نتایج آزمایشگاهی با معادلات مرتبط نشان داد که در بین 4 مدل مورد بررسی برای پیش بینی رفتار مکانیکی، مدل نارکیس بیشترین انطباق را با خواص مکانیکی بدست آمده دارد. حضور نانوذرات فورستریت در زمینه پلی کاپرولاکتون نه تنها سبب افزایش نرخ تخریب و جذب آب در مقایسه با پلی کاپرولاکتون خالص شد، بلکه سبب القای زیست فعالی به سیستم شد. حضور نانوذرات فورستریت سبب بهبود چشمگیر قابلیت چسبندگی سلول های پیش ساز استخوانی و قابلیت مینراله شدن بافت استخوانی شد. فرایند استری کردن سطحی نانوذرات سبب بهبود سازگاری پلی کاپرولاکتون با نانوذرات شده که نتیجه آن توزیع یکنواخت نانوذرات در زمینه بود که سبب بهبود چشمگیر خواص مکانیکی داربست ها شد. توسعه داربست لیفی لایه-لایه پلی کاپرولاکتون-فورستریت/ژلاتین سبب شد که ضمن افزایش اندازه حفرات در حدود 40 میکرومتر، زاویه تماس با آب به طور قابل توجهی کاهش پیدا کند. همچنین حضور ژلاتین سبب بهبود قابل توجه چسبندگی، رشد و تکثیر سلول های بنیادی پالپ .