ساخت و مشخصه¬يابي سيمان نانوکامپوزيتي متخلخل کلسيم فسفات-فورستريت اصلاح شده با استرانسيوم براي پرکردن عيوب استخواني

STUDENT

DEGREE

YEAR

Calcium phosphate cement possesses wide application as degradable and injectable biomaterial. In spite of suitable biocompatibility of calcium phosphate bone cements, they have issues consisting of shortage of macropores and low mechanical strength leading to the restriction in their applications. The aim of present study was to fabricate and characterize porous nanocomposite cement of calcium phosphate–forsterite modified with Strontium(Sr). In this regard, forsterite nanopowder containing 0, 0.05, 0.1, 0.2 and 0.4 at.% Sr was firstly synthesized by sol-gel method and evaluated using X-ray diffraction, scanning electron microscope, transmission electron microscope and Fourier transform infrared spectroscopy. Moreover, bioactivity of Sr-modified forsterite was assessed using soaking in simulated body fluid (SBF). Furthermore, the effect of Sr content on the MG63 cells behavior was assessed. Then, calcium phosphate cement (CPC) based on nanometric ?-TCP (98 wt.%) and hydroxyapatite (2 wt.%) as powder phase and 2.5 wt.% Na 2 HCO 3 aqueous solution as liquid phase was prepared and characterized. In order to improve mechanical strength of calcium phosphate cement, various amounts of optimized Sr-modified forsterite (0.5, 1, 2 and 3 wt.%) were added to CPC and characterized. In this regard, the effect of Sr-modified forsterite nanopowder on mechanical strength, injectability, and setting time of nanocomposite cements were investigated. After optimization of Sr-modified forsterite content, porous nanocomposite CPC of was fabricated by using foaming agent and the effect of foaming agent on mechanical, structural and biological properties was evaluated. Results demonstrated that while forsterite was the main phase of Sr-modified forsterite nanopowder, the second phased could be detected when Sr content enhanced upon 0.2 at.%. Moreover, the presence of Sr atoms influenced the crystallite and particle size as well as lattice parameters of forsterite, while did not significantly change the morphology of powders. Noticeably, the incorporation of Sr element upon 0.2 at.% enhanced the average crystallite size of forsterite from 31± 3.9 nm to 62.9± 11.8 nm. In vitro bioactivity assessment in SBF revealed that while all Sr-modified forsterite powders revealed greater bioactivity than pure forsterite nanopowder, the incorporation of 0.1 at.% Sr revealed improved bioactivity compared to other Sr-modified samples. Moreover, while all forsterite based nanopowders did not revealed any cytotoxicity result, Sr-modified forsterite containing 0.05-0.1 at.% Sr revealed significantly promoted cell proliferation. Moreover, incorporation of 1 wt.% Sr-modified forsterite to CPC led to enhance in compression strength (1.45 times) and elastic modulus (2.87 times) in comparison with free-forsterite CPC. Additionally, the presence of Sr-modified forsterite nanoparticles resulted in decrease in initial setting time of cement from 23.8±5.5 min to10.7±1.5 min. Since foaming agent was added to powder phase of cement containing 1wt.% Sr-modified forsterite nanoparticles, porous nanocomposite cement consisting of 50.5± 6.5 % macroporosity was fabricated. By introducing macroporosity in cement, compressive strength and elastic modulus were obtained 4.9±0.6 MPa and 0.5±0.1 GPa, respectively where were higher than those of in porous free-forsterite CPC with compression strength 1.3±0.2 MPa and elastic modulus 0.1±0.02 GPa. On the other hand, cell culture results confirmed that the proliferation and spreading of MG63 cells on nanocomposite and porous nanocomposite cements were improved compared to those in free-forsterite CPC. Based on the findings, it seems that porous nanocomposite of calcium phosphate –Sr-modified forsterite could be a suitable bone filler. Key words: bone tissue engineering, calcium phosphate cement, forsterite nanoparticles, strontium, mechanical properties and biocompatibility.

چکيده سيمان هاي کلسيم فسفاتي کاربردهاي وسيعي را به عنوان مواد زيست تخريب پذير تزريق پذير دارند. با وجود زيست سازگاري بالاي سيمان هاي کلسيم فسفاتي، آن ها داراي مشکلاتي از جمله عدم دارا بودن ماکروحفرات و استحکام مکانيکي کم هستند که سبب ايجاد محدوديت هايي در کاربرد اين دسته از مواد مي شود. هدف از پژوهش حاضر، ساخت سيمان استخوان متخلخل نانوکامپوزيتي کلسيم فسفات- فورستريت اصلاح شده با استرانسيم و مشخصه يابي آن است. در اين راستا، ابتدا نانوپودر فورستريت حاوي 0، 05 / 0، 1 / 0، 2 / .0 و 4 / 0 درصد اتمي استرانسيوم به روش سل- ژل سنتز شد و با استفاده از الگوي پراش پرتو ايکس، ميکروسکوپ الکتروني روبشي و عبوري و طيف سنجي فروسرخ با تبديل فوريه مورد ارزيابي قرار گرفت. همچنين، زيست فعالي نانوپودرهاي فورستريت اصلاح شده با استرانسيوم از طريق غوطه وري در محلول شبيه سازي شده بدن ارزيابي شد. علاوه بر اين، تاثير مقدار استرانسيوم موجود در فورستريت بر رفتار سلول هاي MG63 بررسي شد. در ادامه، سيمان کلسيم فسفات بر پايه پيش‌سازهاي آلفا‌تري کلسيم فسفات نانومتري (98 درصد وزني) و هيدروکسي‌آپاتيت نانومتري (2 درصد وزني) به‌عنوان فاز پودري و محلول آبي 5 / 2‌ درصد دي‌سديم‌هيدروژن‌ فسفات به‌عنوان فاز مايع، تهيه و مشخصه يابي شد. به منظور بهبود خواص مکانيکي سيمان‌هاي کلسيم فسفات، مقادير مختلفي از نانوذرات فورستريت اصلاح شده با استرانسيوم بهينه (5 / 0، 1، 2 و 3 درصد وزني) به سيمان‌ کلسيم فسفاني افزوده و مشخصه يابي شد. در ادامه، تاثير نانو ذرات بر خواص مکانيکي، تزريق پذيري و زمان گيرش سيمان نانوکامپوزيتي بررسي شد. بعد از تعيين سيمان نانوکامپوزيتي بهينه، سيمان نانوکامپوزيت متخلخل کلسيم فسفات-فورستريت اصلاح شده با استرانسيوم با استفاده از مقادير مختلفي 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 نشان داد که در حالي که فورستريت فاز اصلي در کليه پودرهاي اصلاح شده با استرانسيوم بود، فازهاي ثانويه اي حاوي استرانسيوم در مقادير بالاي استرانسيوم (بالاتر از 2 / 0 درصد اتمي) مشاهده شد. بر مبناي مقدار استرانسيوم وارد شده، اندازه ذرات، اندازه بلورک ها و پارامترهاي شبکه فورستريت تغيير کرد، بدون آن که مورفولوژي آنها تغيير کند. به عنوان مثال، اضافه شدن 2 / 0 درصد اتمي استرانسيوم سبب افزايش اندازه ذرات از 9 / 3±31 نانومتر به 8 / 11±9 / 62 نانومتر شد. نتايج ارزيابي زيست فعالي نشان داد که در حالي که همه نانوپودرهاي فورستريت اصلاح شده با استرانسيوم زيست فعالي بالاتري در مقايسه با فورستريت دارند، اضافه شدن 1 / 0 درصد اتمي فورستريت زيست فعالي بالاتري را در مقايسه با ساير پودرها نشان داد. بر اساس آزمون ارزيابي سميت سلولي، در حالي که پودرها هيچ گونه سميتي از خود نشان ندادند، پودرهاي فورستريت اصلاح شده با 05 / 0-1 / 0درصد اتمي استرانسيوم سبب افزايش قابل توجه رشد و تکثير سلولي در مقايسه با سلول کشت شده در سطح پليت شدند. همچنين، افزودن يک درصد وزني فورستريت اصلاح شده با 1 / 0 درصد اتمي استرانسيوم به سيمان کلسيم فسفات سبب افزايش 45 / 1 برابري استحکام فشاري و 87 / 2 برابري ضريب کشساني نسبت به سيمان خالص شد. علاوه بر اين، حضور نانو ذرات سبب کاهش زمان اوليه سفت شدن سيمان از 49 / 5±8 / 23 دقيقه به 53 / 1±66 / 10 دقيقه شد. با افزودن عامل تخلخل‌زا به فاز پودري سيمان حاوي يک درصد وزني نانوذره، سيمان نانوکامپوزيتي متخلخل حاوي 5 / 6±5 / 50 درصد ماکروتخلخل ايجاد شد. در حضور ماکروتخلخل ها بيشترين استحکام فشاري 6 / 0±9 / 4 مگا پاسکال و ضريب کشساني 09 / 0±48 / 0 گيگا پاسکال بدست آمد که نسبت به سيمان نانوکامپوزيتي بدون تخلخل کاهش 65 / 5 برابري در استحکام فشاري و 02 / 3 برابري در ضريب کشساني مشاهده شد. اما همچنان در مقايسه با سيمان کلسيم فسفات متخلخل که داراي استحکام فشاري 2 / 0±3 / 1 مگا پاسکال و ضريب کشساني 02 / 0±1 / 0 گيگاپاسکال بود، داراي خواص مکانيکي بالاتر بود. نتايج حاصل ازآزمون کشت سلولي با استفاده از سلول هاي MG63 بر روي نمونه‌هاي سيمان نانوکامپوزيتي و سيمان نانوکامپوزيتي متخلخل نشان داد که سلول ها در حضور نانوذره قابليت تکثير، چسبندگي و رشد بهتري نسبت به نمونه هاي سيماني بدون نانوذره داشتند. بر اساس اين نتايج، به نظر مي رسد سيمان نانوکامپوزيتي متخلخل کلسيم فسفات-فورستريت اصلاح شده با استرانسيوم مي تواند گزينه مناسبي براي کاربردهاي مهندسي بافت استخوان باشد. کلمات کليدي : مهندسي بافت استخوان، سيمان کلسيم فسفات متخلخل ، فورستريت، استرانسيوم، خواص مکانيکي، زيست سازگاري.