SUPERVISOR
Rahmatollah Emadi,Mahshid Kharaziha-esfahani
رحمت اله عمادي (استاد راهنما) مهشيد خرازيهاي اصفهاني (استاد راهنما)
STUDENT
Mehran Rozbahani
مهران روزبهاني
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Fabrication and characterization of porous nanocomposite of Laponite-Calcium phosphate bone cement for filling bone defects
An increase in the number of bone injuries consisted of bone defects and development of minimally invasive surgeries have led to development of injectable biomaterials with enhanced bone regeneration ability. The aim of present study was to fabricate porous nanocomposite of laponite (LAP): dexamethasone (DEX)-calcium phosphate bone cement. In the first step, DEX was encapsulated with concentration of 2 mg/ml into LAP nanodisks at different pHs (3, 7 and 13) and the effects of pH changes were assessed on the DEX loading efficiency. Moreover, DEX release mechanism in both acidic and physiological environments was evaluated. As prepared nanohybrids were evaluated using X-ray diffraction, scanning electron microscope, transmission electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, zeta potential and UV spectroscopy. Moreover, effects of LAP: DEX nanohybrids on the MG63 cell line behavior were studied. In the second step, calcium phosphate cement based on ?-three calcium phosphate (?-TCP-98 wt.%) and hydroxyapatite HA-2 wt.%) nanopowders as powder phase and a 2.5 wt.% Na 2 HPO 4 aqueous solution as liquid phase was fabricated and characterized. In order to improve the mechanical properties of calcium phosphate cement, LAP:DEX nanohybrids at different concentrations (0.5, 1, 2 and 3 wt. %) was added into powder phase of cement, and after optimization of LAP concentration based on mechanical and biological properties, the nanocomposites were employed as drug delivery system for controlled release of DEX. In the last step, porous nanocomposite calcium phosphate cement was made using NaHCO 3 as foaming agent, and the effects of its concentration on the mechanical and biological properties of cement were evaluated. Zeta potential and UV-vis results revealed that in acidic condition, DEX was loaded on the surface and interlayer space of LAP nanoplates through hydrogen bonds and electrostatic forces. Moreover, release of DEX from LAP nanoplates at both environments occurred in a sustained manner. Differently, in acidic condition, due to the protonation of LAP surfaces, the amount of released DEX was increased. On the other hand, the incorporation of LAP:DEX nanohybrids upon 2 wt.% led to significantly enhance in compression strength (1.4 times) and elastic modulus (2.5 times) compared to pure bone cement. Nevertheless, more increasing of LAP:DEX content led to reduce in mechanical properties of the nanocomposite cement. Moreover, incorporation of foaming agent to powder phase of cement containing 2 % LAP:DEX nanohybrid resulted in the development of porous nanocomposite cement consisting of 52.54±7.87 % macropores. Although macroporosity resulted a reduction in compression strength (10 times) and elastic modulus (4 times) of porous nanocomposite cement compared to those of bulk nanocomposite cement, they were still more than those of pure porous calcium phosphate cement. Cell culture was performed on the both bulk and porous nanocomposite cements. Results demonstrated that incorporation of LAP:DEX nanohybrids led to improvement of MG63 cell proliferation, adhesion and growth compared to free-LAP:DEX samples. Moreover, results of drug release from nanocomposite cements and porous nanocomposite cements displayed sustained release of DEX from these carriers. Finally, porous nanocomposite of LAP: DEX-calcium phosphate bone cement might be used as filler for bone defects and facilitate the regeneration of bone formation. Key words : Calcium phosphate cement, Laponite nanoplates, Dexamethasone and mechanical properties.
چکيده افزايش شمار آسيب‌هاي استخواني شامل نقص‌هاي استخواني و توسعه جراحي‌هاي با کمترين آسيب، تحقيقات را به سمت ساخت مواد قابل تزريق با توانايي بازسازي سريع بافت استخوان هدايت مي‌کند. هدف از پژوهش حاضر، ساخت سيمان نانوکامپوزيتي متخلخل کلسيم فسفات -نانوصفحات لاپونيت:دگزامتازون مي باشد. در اين راستا، در مرحله اول، دگزامتازون در محيط‌هايي با pH مختلف 3، 7 و 13 درون لاپونيت با غلظت 2 ميلي‌گرم بر ميلي‌ليتر بارگذاري شد و تاثير تغيير pH روي ميزان داروي بارگذاري شده بررسي شد. همچنين، چگونگي رهايش داروي دگزامتازون از نانوصفحات لاپوينت در دو محيط اسيدي و شبيه‌سازي شده بدن مورد بررسي قرار گرفت. نانوهيبريدهاي لاپوينت:دگزامتاون تهيه شده تحت آزمون‌هاي پراش پرتو ايکس، ميکروسکوپ الکتروني روبشي، طيف‌سنجي فرو سرخ با تبديل فوريه، ميکروسکوپ الکتروني عبوري، پتانسيل زتا و طيف سنجي با اشعه ماوراء بنفش مورد ارزيابي قرار گرفتند. همچنين، تاثير هيبريد حاصله بر سلول هاي MG63 مورد ارزيابي قرار گرفت. در مرحله دوم، سيمان کلسيم فسفات بر پايه پيش‌سازهاي آلفا‌تري کلسيم فسفات نانومتري (?-TCP- 98 درصد وزني) و هيدروکسي‌آپاتيت نانومتري (HA- 2 درصد وزني) به‌عنوان فاز پودري و محلول آبي 5/2 درصد دي‌سديم‌هيدروژن فسفات به‌عنوان فاز مايع، تهيه و مشخصه يابي شد. با هدف بهبود خواص مکانيکي سيمان‌هاي کلسيم فسفات، نانوهيبريد لاپونيت:دگزامتازون در غلظت‌هاي مختلف 5 / 0، 1، 2، 3 درصد وزني به سيمان کلسيم فسفاني افزوده شدند و بعد از بهينه‌سازي غلظت لاپونيت:دگزامتازون بر اساس خواص مکانيکي و زيستي سيمان حاصله، از اين نانوکامپوزيت براي رهايش کنترل شده دگزامتازون در محيط فيزيولوژِي استفاده شد. در مرحله آخر، سيمان استخواني متخلخل نانوکامپوزيتي با استفاده از عامل فوم‌ساز بي کربنات سديم ساخته شد و تاثير مقدار عامل فوم ساز بر خواص مکانيکي، ساختاري و زيستي سيمان مورد بررسي قرار گرفت. نتايج حاصل از پتانسيل زتا و طيف سنجي فروسرخ با تبديل فوريه نشان داد که داروي دگزامتازون در شرايط اسيدي بيشترين بارگذاري(80 / 0±10 / 95) را روي سطح و فضاي بين لايه‌اي لاپونيت از طريق پيوندهاي هيدروژني و نيروهاي الکترواستاتيک دارا مي‌باشد. بعلاوه، رهايش داروي دگزامتازون در هر دو محيط کاملاً بصورت کنترل شده بود، با اين تفاوت که در محيط اسيدي به دليل پروتونه شدن سطح لاپونيت، ميزان رهايش دارو افزايش پيدا کرد. همچنين، افزودن دو درصد وزني نانوهيبريد لاپونيت:دگزامتازون به سيمان کلسيم فسفات سبب افزايش 4 / 1 برابري استحکام فشاري و 5/2 برابري ضريب کشساني سيمان شد. با وجود اين، افزودن مقدار بيشتر هيبريد سبب افت خواص مکانيکي سيمان شد. علاوه بر اين، حضور هيبريد لاپونيت:دگزامتازون سبب کاهش زمان نهايي سفت شدن سيمان از 43 / 5±67 / 36 دقيقه به 71 / 5±8 / 26 شد. با افزودن عامل تخلخل‌زا به فاز پودري سيمان حاوي دو درصد وزني لاپونيت:دگزامتازون، سيمان نانوکامپوزيتي متخلخل حاوي 87 / 7±54 / 52 درصد ماکروتخلخل ايجاد شد. اگر چه، حضور ماکروتخلخل ها سبب افت استحکام فشاري و مدول الاستيک سيمان متخلخل نانوکامپوزيتي بهينه بترتيب 10 و 4 برابر در مقايسه با سيمان نانوکامپوزيتي بدون تخلخل شد، اما همچنان در مقايسه با سيمان کلسيم فسفات متخلخل داراي خواص مکانيکي بالاتر (استحکام فشاري 35 / 0±60 / 2 در مقايسه با 18 / 0±25 / 1 در سيمان کلسيم فسفات متخلخل و ضريب کشساني 01 / 0±28 / 0 در مقايسه با 02 / 0±11 / 0 در سيمان کلسيم فسفات متخلخل)بود. آزمون کشت سلولي روي نمونه‌هاي نانوکامپوزيتي و نانوکامپوزيتي متخلخل سيمان با استفاده از سلول هاي MG63 انجام شد. نتايج نشان دادند با افزودن نانوهيبريد لاپونيت:دگزامتازون، قابليت تکثير، چسبندگي و رشد سلول ها نسبت به نمونه‌هاي سيماني بدون نانوصفحات لاپونيت بهبود يافت. همچنين، نتايج رهايش دارو از سيمان‌هاي نانوکامپوزيتي و نانوکامپوزيتي متخلخل حاکي از رهايش کنترل شده دگزامتازون از اين سيمان‌ها بود. بر اين اساس، سيمان نانوکامپوزيتي متخلخل لاپونيت:دگزامتازون- کلسيم فسفات مي‌تواند بعنوان پرکننده نقص‌هاي استخواني استفاده شوند و به احياي سريع‌تر استخوان کمک کند. کلمات کليدي : سيمان کلسيم فسفات، نانوصفحات لاپونيت، دگزامتازون و خواص مکانيکي