SUPERVISOR
Mohammad Hosein Fathi,Fakhreddin Ashrafizadeh
محمدحسین فتحی (استاد مشاور) سیدفخرالدین اشرفی زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Mehdi Ebrahimian Hosseinabadi
مهدی ابراهیمیان حسین آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1384
TITLE
Preparation and Evaluation of PLGA/nano-BCP Composite Scaffolds for Bone Tissue Engineering
In this research, the preparation and evaluation of poly (lactic-co-glycolic acid)/nano biphasic calcium phosphate (PLGA/nano-BCP) for bone tissue engineering has been investigated. First, the preparation and properties of nano-composite scaffolds for bone tissue engineering were briefly reviewed. Then, the BCP fabrication process was carried out by burning and heat treatment of cortical and cancellous bovine bones. After that, the bioactivity in SBF solution, and cytotoxicity of the resultant nano-BCP powders, by MTT assay of G-292 osteoblast cells, were evaluated. The results showed that after immersing the bones in di-ammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) solution and subsequent heat treating at the temperature range of 700 to 1300 ?C, the calcined hydroxyapatite transformed to HA/?-TCP biphasic structure. By increasing the heat treatment temperature, the amount of ?-TCP phase in the samples increased in such a way that cancellous bone samples were entirely converted into ?-TCP at 1300 ?C. SEM images, EDS and XRD analysis of immersed samples in SBF solution showed that a uniform layer formed on the surface after 28 days with the chemical composition of hydroxyapatite. Cytotoxicity assay of the nano-BCP (nBCP) powders extract, with the chemical composition of HA/?-TCP: 60/40, in contact with osteoblast G-292 cells revealed that the nBCP compounds do not show cytotoxicity. Moreover, the rate of cell proliferation for nBCP is greater than nHA. In the rest of this study, PLGA, PLGA/nBCP and PLGA/nHA scaffolds were fabricated, by thermal induce phase separation (TIPS), and their properties were compared for use in bone tissue engineering . The freeze dryer was applied to fabricate scaffolds at a temperature of -60 ?C and pressure of 0.04 mbar. The scaffolds had more than 89% porosity with an average pore size of 60 to 150 µm. TIPS process is one of the most common and inexpensive methods for fabrication of polymer matrix nano-composite scaffolds with very high amount of porosity. The mechanical and in vitro degradation properties of PLGA and PLGA/nBCP scaffolds were evaluated and their cell behavior was investigated under cell culture tests. The results of tensile tests showed that the yield strength of the PLGA/nBCP composite scaffold with 30 wt% nBCP particles was about 0.54 MPa which was higher than other samples. By addition of 30 wt% nBCP to PLGA matrix, a more uniform distribution of particles and less agglomeration was observed in comparison to composite scaffolds containing 40 and 50 wt% particles. With increasing the amount of particles in the scaffold, the elastic modulus of scaffolds were increased so that the elastic modulus of PLGA/50 wt% nBCP (14.83 ± 0.83 MPa) was about 8.7 times higher than the base PLGA scaffold. The nBCP reinforcement particles in the composite scaffolds, due to their high surface energy and strong bonds with the polymer matrix, can increase the modulus of elasticity and yield strength of the resultant composite. Degradation tests showed that the weight loss of the PLGA/nBCP composite scaffolds were more than that of PLGA scaffolds and by increasing the amount of nBCP particles in the composite scaffolds, the rate of weight loss increased. The weight loss affected the mechanical properties of scaffolds, significantly in such a way that after immersion in solution for 8 weeks, the yield strength and elastic modulus dropped to negligible values and the scaffolds were ruptured easily. Also, MTS assay for L-929 fibroblast cells and MG-63 osteoblast cells in contact with PLGA and PLGA/nBCP composite scaffolds (with 30, 40 and 50 wt% nBCP particles), showed that cell viability and proliferation for composite scaffolds were more than pure polymer scaffolds. Addition of nBCP reinforcement particles in the range of 30 to 50 wt% significantly enhanced the cell behavior of composite scaffolds and can provide a suitable condition for the repair of injured bone tissue. In conclusion, it can be stated that the PLGA/nBCP scaffolds with 30 wt% nBCP have better mechanical and degradation properties and cell behavior than other scaffolds. Key words: Biphasic calcium phosphate, Poly (lactic-co-glycolic acid), Nano-composite(s), Scaffold(s), Hydroxyapatite, Bioactivity, Degradation, Bone tissue engineering
در این تحقیق، مطالعات و کارهای عملی انجام شده در مورد تهیه و ارزیابی داربست کامپوزیتی پلی لاکتیک-کو-گلایکولیک اسید/نانو فسفات کلسیم دوفازی (PLGA/nano-BCP) برای مهندسی بافت استخوان ارایه گردیده است. در ابتدا ضمن معرفی و بررسی اجمالی تحقیقات سایر محققین در رابطه با استفاده از داربست های مختلف نانو کامپوزیتی در مهندسی بافت استخوان، روشهای تهیه و خواص آنها بررسی شد. سپس در قسمت کارهای عملی، فرایند تولید BCP از استخوان اسفنجی و فشرده و زیستفعالی آنها در محلول SBF بررسی گردید و سمیت پودرهای nano-BCP (nBCP) تولید شده توسط سلول های استئوبلاست G-292، با استفاده از آزمون MTT، مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان میدهد که با عملیات سوزاندن و حرارت دادن (700 تا ?C1300) استخوان غوطهور شده در محلول دی آمونیوم هیدروژن فسفات ((NH 4 ) 2 HPO 4 )، هیدروکسیآپاتیت استخوان به ترکیبی از دو فاز HA و ?-TCP تبدیل میشود. با افزایش دمای عملیات حرارتی میزان فاز ?-TCP در نمونهها افزایش مییابد به گونهای که نمونههای استخوان اسفنجی در دمای ?C 1300 تماماً به ?-TCP تبدیل میشوند. تصاویر SEM و آنالیز های EDS و XRD نشان داد که لایه آپاتیت در محلول SBF روی سطح نمونه های nBCP به طور کامل پس از 28 روز ایجاد شده و دارای ترکیب هیدروکسی آپاتیت است. بررسی های سمیت سلولی عصاره پودر نانو BCP، با ترکیب شیمیایی 40/60 :HA/?-TCP، با رده سلولی G-292 استخوان انسانی نشان داد که ترکیبات nBCP سمیتی از خود نشان نمیدهند، ضمن اینکه میزان تکثیر سلول ها برای ترکیب nBCP در مقایسه با ترکیب nHA استخوانی بیشتر است. در ادامه این تحقیق، داربست های پلیمری PLGA، کامپوزیتی PLGA/nano-BCP و کامپوزیتی PLGA/nano-HA به منظور بررسی و مقایسه با یکدیگر جهت استفاده در مهندسی بافت استخوان توسط روش جدایش فازی با القای حرارتی (TIPS) ساخته شدند. برای ساخت داربست ها از دستگاه فریزدرایر تحت دمای ?C 60- و فشار 04/0 میلی بار استفاده شد. داربست های ساخته شده دارای تخلخلی بیش از 89% هستند و اندازه میانگین تخلخل ها حدود 60 تا 150 میکرومتر است. روش TIPS یکی از روشهای رایج و ارزان برای ساخت داربستهای نانو کامپوزیتی زمینه پلیمری با مقادیر تخلخل بسیار بالا است. داربست های ساخته شده تحت آزمون های خواص مکانیکی، تخریب پذیری برون تنی و کشت سلول قرار گرفتند. یافته های حاصل از آزمون کشش نشان می دهد که داربست های کامپوزیتی PLGA/nBCP با 30 درصد وزنی ذرات nBCP، از استحکام تسلیم (02/0±54/0مگاپاسکال) بالاتری نسبت به سایر داربست ها برخوردار بودند؛ با افزودن ذرات nBCP تا 30 درصد وزنی به زمینه پلیمری PLGA توزیع یکنواخت تر ذرات و میزان آگلومره شدن کم تر نسبت به داربست های کامپوزیتی با 40 و 50 درصد وزنی ذرات nBCP مشاهده می شود. مدول الاستیک داربست ها با افزایش درصد ذرات در زمینه پلیمری افزایش یافته است به گونه ای که مدول الاستیک داربست کامپوزیتی PLGA-50 wt% nBCP (83/0±83/14مگاپاسکال) حدود 7/8 برابر بیشتر از داربست پلیمری PLGA است. جزء تقویتکنندهnBCP در داربست های کامپوزیتی، به علت دارا بودن انرژی سطحی بالا و ایجاد پیوند قوی با زمینه پلیمری، میتواند خواص مکانیکی همچون مدول الاستیک و استحکام تسلیم را افزایش دهد. نتایج حاصل از تخریب داربست های مختلف نشان داد که داربست های کامپوزیتی از میزان کاهش وزن بیشتری نسبت به داربست های پلیمری خالص برخوردارند و با افزایش مقدار ذرات nBCP در داربست های کامپوزیتی، میزان کاهش وزن افزایش می یابد. کاهش وزن داربست ها بر خواص مکانیکی آنها اثرگذار بود و استحکام تسلیم و مدول الاستیک داربست ها پس از 8 هفته غوطه وری در محلول به مقدار بسیار ناچیزی رسید و داربست ها به راحتی دچار شکست و پارگی شدند. همچنین آزمون MTS برای سلولهای فایبروبلاست L-929 و استئوبلاست MG-63 در تماس با داربست های پلیمری PLGA و کامپوزیتی PLGA/nBCP نشان داد که میزان بقا و تکثیر سلول ها برای هر دو رده سلولی روی داربست های کامپوزیتی در مقایسه با داربست های پلیمری بیشتر است. جزء تقویتکننده nBCP از 30 تا 50 درصد وزنی در داربست های کامپوزیتی سبب بهتر شدن رفتار سلولی به طور قابل ملاحظه ای شده و می تواند شرایط لازم را برای ترمیم بافت آسیبدیده استخوان فراهم کند. با توجه به آزمون های انجام گرفته می توان گفت که از میان همه ی داربست های پلیمری و کامپوزیتی، داربست کامپوزیتی PLGA/nano-BCP با 30 درصد وزنی ذرات nano-BCP از خواص مکانیکی، تخریب پذیری و رفتار سلولی مناسب تری نسبت به سایر داربست ها برخوردار است. کلمات کلیدی: فسفات کلسیم دوفازی، پلی لاکتیک-کو-گلایکولیک اسید، نانوکامپوزیت، داربست، هیدروکسی آپاتیت، زیست فعالی، تخریب پذیر، مهندسی بافت استخوان