ساخت و توسعه‌ کانال هدایت عصبی نانوکامپوزیت گرافن سه‌بعدی/پلی‌کاپرولاکتون به روش رسوب شیمیایی بخار

STUDENT

DEGREE

YEAR

In recent years, graphene has been considered in various tissue engineering applications such as nerve guide conduits because of its unique properties like high electrical and mechanical properties, porous structure for the exchange of nutritious and waste materials, biocompatible, the capability of drug loading, growth factors. In the current study, nerve guide conduits based on a 3D-graphene were synthesized by chemical vapor deposition method (CVD). The main challenging for the application of CVD-graphene foam is its low handling capability. So, it is suggested that a polymer coating layer apply on the CVD-graphene foam. Among the polymers, Polycaprolactone (PCL) is selected as a coating layer because of its biodegradability, biocompatibility and using frequently as a material for nerve guide conduit. Firstly graphene is synthesized on nickel templates using chemical vapor deposition at three different temperatures and nickel removed chemically while retaining graphene integrity by the application of a cyclododecane as a protective layer. In order to importing PCL into the 3D graphene used drop and dip coating methods. The samples were characterized by Raman analysis, Scanning Electron Microscopy, X-ray photon spectroscopy, thermal analysis, electromechanical measurement, contact angle (wettability) and surface roughness. Raman analysis showed that there is turbostratic multilayer graphene with little defects. SEM photographs proved the presence of 3D-graphene. The comparison of electromechanical results of the 3D-graphene/PCL conduit with PCL conduit indicated that the presence of 3D-graphene makes PCL conduit conductive (electrical resistance reduced to about 0.10 ohm.cm) and it can promote the nerve regeneration and axon growth. Moreover, the tensile strength of the 3D-graphene/PCL conduit was improved compared to the PCL conduit. Among the different fabrication methods, the sample prepared by drop and dip coating showed the best mechanical properties (Maximum tensile strength about 2 MPa). This sample displays good flexibility and handling so that it can easily cut to smaller pieces. Another noticeable result in the current study is the fabrication of a composite with porous polymer coating which is prepared by mixing polycaprolactone and cyclododecane solutions. This sample is brittle but it is a suitable candidate with macro and micro porous structure for other applications. The MTT assay indicated that the number of PC12 cells on PCL Scaffold sample didn’t change more in comparison with the control sample but for the composite sample, PCL-CD and MIX samples, the percent of cell viability is increased. It shows that 3D-graphene has increased cell viability. Also, PCL-CD sample had the most cell viability percent among all the samples.

گرافن به دلیل خواص منحصر به فردی چون هدایت الکتریکی و استحکام مکانیکی بالا، ساختار متخلخل جهت تبادل مواد مغذی و مواد زائد، زیست سازگاری مطلوب، امکان بارگذاری دارو، فاکتورهای رشد و سلول‌های بنیادی در سال‌های اخیر در مهندسی بافت‌های مختلف از جمله ساخت کانال هدایت عصبی مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش ساخت کانال هدایت عصبی بر پایه گرافن سه‌بعدی با روش رسوب شیمیایی بخار (CVD) مد نظر قرار گرفت. چالش استفاده از فوم گرافن حاصل از CVD، قابلیت کار با دست و قابلیت جابجای کم آن می‌باشد. بدین منظور، استفاده از یک پوشش پلیمری تخریب‌پذیر توسعه داده شده است. از میان پلیمرهای استفاده شده در ساخت کانال هدایت عصبی، پلی‌کاپرولاکتون به دلیل نرخ ‌تخریب‌ و زیست سازگاری مناسب و استفاده به عنوان یک ماده پرمصرف در کانال هدایت عصبی انتخاب شد. ابتدا گرافن سه‌بعدی به روش رسوب شیمیایی بخار و در سه دمای مختلف روی زیرلایه فوم نیکل سنتز شده و سپس زیرلایه نیکلی با استفاده از محلول اچ نیکل حذف شد. به منظور حفظ ساختار سه بعدی گرافن سنتز شده در طی حذف نیکل، از سایکلودودکان به عنوان لایه محافظ استفاده شد. جهت وارد نمودن پلی‌کاپرولاکتون در ساختار از روش‌های پوشش‌دهی قطره‌ای و غوطه‌وری (Drop-Dip)، غوطه‌وری (PCL-CD) و غوطه‌وری در مخلوط دو پلیمر (MIX) استفاده شد. نمونه‌ها با استفاده از آنالیز رامان، میکروسکوپ الکترونی روبشی، اسپکتروسکوپی فوتون اشعه ایکس، آنالیز حرارتی، خواص الکترومکانیکی، تعیین زاویه تماس ، زبری سطح و آزمون کشت سلولی مشخصه‌یابی شدند. آنالیز رامان نمونه‌ها نشان داد که گرافن سنتز شده به صورت گرافن چندلایه‌ی توربواستراتیک و با عیوب بسیار کم می‌باشد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نیز حضور گرافن سه بعدی را تایید نمود. بررسی و مقایسه خواص الکترومکانیکی کانال گرافن سه بعدی/پلی‌کاپرولاکتون ساخته شده با روش‌های مختلف با کانال پلیمری پلی‌کاپرولاکتون نشان داد که حضور گرافن سه ‌بعدی باعث هادی شدن کانال هدایت کامپوزیتی شد (کاهش مقاومت الکتریکی تا 10/0 اهم سانتی‌متر) که انتظار می‌رود بهبود فرایند ترمیم عصب و رشد آکسون‌ها را به دنبال داشته باشد. همچنین استحکام مکانیکی کانال حاوی گرافن سه بعدی در مقایسه با کانال هدایت پلی‌کاپرولاکتون افزایش یافته است. در میان روش‌های مختلف ساخت کانال، نمونه تهیه شده با پوشش‌دهی قطره‌ای و سپس غوطه‌وری، بهترین خواص مکانیکی (استحکام کششی بیشینه حدود 2 مگاپاسکال) را نشان داد. این نمونه انعطاف‌پذیری و قابلیت خم شدن خوبی داشت به نحوی که می‌توان آن را به راحتی برش داد. نتیجه قابل توجه دیگر در این پژوهش، ساخت کامپوزیتی با پوشش پلیمری متخلخل می‌باشد که با روش مخلوط نمودن محلول‌های پلی‌کاپرولاکتون و سایکلودودکان ایجاد شد. نمونه ساخته شده با این روش ترد و شکننده می‌باشد ولی به عنوان یک ماده حاوی تخلخل با ابعاد ماکرومتری و میکرومتری قابلیت استفاده در کاربردهای دیگر را دارد. نتایج آزمون زبری سنجی سطح نشان داد که زبری سطح نمونه‌ها در محدوده 4/18 تا 2/17 میکرومتر قرار داشته و تفاوت معناداری با یکدیگر ندارند. نتایج آزمون کشت سلولی نشان داد که در حالی که تعداد سلول‌های عصبی PC12 روی نمونه PCL خالص با نمونه کنترل تفاوتی ندارد، اما در نمونه‌های کامپوزیتی PCL-CD و نمونه MIX درصد زندمانی سلول‌ها افزایش یافته است. این نشان می‌دهد حضور گرافن سه بعدی باعث افزایش زندمانی سلول‌ها شده است. بالاترین درصد زندمانی سلولی بر نمونه PCL-CD مشاهده شد(14±143). علت این افزایش زنده ماندن سلولی علاوه بر حضور گرافن سه بعدی در ساختار، مورفولوژی سوزنی شکل پلی‌کاپرون در سطح گرافن سه بعدی می‌باشد.