SUPERVISOR
Mohammad Hosein Fathi,Mahshid Kharaziha-esfahani
محمدحسين فتحي (استاد راهنما) مهشيد خرازيهاي اصفهاني (استاد راهنما)
STUDENT
Nasim Golafshan
نسيم گل افشان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Fabrication and Characterization of Bi-layer Polymeric Nanocomposite Scaffolds for development of Nerve Conduit consist of Poply vinyl alcohol-Sodium Alginate:Graphene/eggshell membrane-PCLF double network
Damages caused to the peripheral nervous system, in effect sporting activities and injuries from the crash and blow it comes into existence. Although the use of nerve guidance conduit is an effective way for the reconstruction of peripheral nerves, but because of the biological materials selection and design of appropriate nerve conduction channels that have already been developed, the ability to rebuild damaged tissue are quite favorable. The aim of this study is to fabricate bi layer scaffold with appropriate mechanical, structural, electrical and biological features in order to develop and improve the performance and peripheral nerve repair. In this study, the bi layer conduit with inner wall of fibrous scaffolding nanocomposite of Sodium alginate-Polyvinyl alcohol:graphene nanoparticles and the outer layer of the double network scaffold made of eggshll memrbare-Polycaprolactone fumarate. For this purpose, the inner layer PolyVinyl alcohol-Alginate:Graphene using electrospinning process and was evaluated. Also, the effect of different amounts of graphene nanoparticles (0, 0.5, 1, 2 and 5 wt%) on the properties of mechanical, electrical, chemical and biological degradation nanocomposite scaffolds were studied and optimized. In addition, due to the importance directional growth of nerve cells to accelerate nerve regeneration process, the arrangement of fibers (parallel or perpendicular) on the mechanical properties of biological scaffolds were evaluated. As one of the limitations PVA-Alg:Gr scaffolds by electrospinning, a lack of sufficient mechanical stability during surgery, low thickness and porosity is uncontrollable, double network eggshell membrane-PCLF made by polycaprolactone fumarate penetrate into the egg membrane porosities. In this way, the influence of solvent type of polycaprolactone fumarate (dichloromethane and acetic acid) on the penetration of polymeric solution into the eggshell membrane double network resulting in physical and mechanical properties were investigated. After the above-mentioned optimization, the ability to connect two layers together using a fibrous layer polycaprolactone as sacrificial membrane was evaluated. Based inner membrane showed that graphene nanocomposites containing 1 wt% (1 Gr-AP) highest electrical conductivity and mechanical properties compared to other Nanvkampvzyt¬Ha is best. Add a fourfold wt% of graphene improves toughness and strength than threefold increase alcohol-alginate scaffold fiber Ply¬Vynyl net (AP) was. In addition, graphene by controlling the angle of wettability, a significant role in the degradation rate of scaffolds, the species that degradation rate of the scaffold% 6/2 ± 3/23 (in scaffolding AP) in% 1/2 ± 7/11 (in scaffolding 1Gr-AP) declined. The results of cell culture showed that the growth and proliferation of PC12 cells on the scaffold 1Gr-AP due to superior electrical and mechanical properties was significantly higher than the other samples. By comparing the fibrous scaffolding nanocomposite fibers arranged in parallel and randomized 1Gr-AP resulting in a nonuniform mechanical properties of the scaffold containing directional fibers in both directions parallel and perpendicular to the applied load shows. Moreover, the mechanical properties of the scaffold 1Gr-AP with directional fibers (toughness = 4/0 ± 5/16 MPa strength = 7/6 ± 6/29 MPa) compared to the scaffold with random fibers (toughness = 5/3 ± 1 / 8 MPa and strength = 2/2 ± 1/22 MPa) recovered. Also, results showed that the cells on the scaffold cell with parallel fibers, adhesion, growth and proliferation better and because of its heterogeneous structure, for directional growth. The results of scaffolding external dual channel (Tkhm¬Mrgh membrane-Ply¬Kaprvlaktvn fumarate) 9 showed that adding fumarate Ply¬Kaprvlaktvn no significant change in environmental behavior egg membrane, to improve its mechanical properties. The species tensile strength in a dual structure with the solvent acetic acid compared to Tkhm¬Mrgh to the membrane 12 times and toughness increased by 26 times. The results of the mechanical properties of the scaffold Ply¬Vynyl¬Alkl-Elgin bilayer graphene / membrane Tkhm¬Mrgh-Ply¬Kaprvlaktvn fumarate showed the strength, toughness and elastic modulus dual scaffold by about 1/4 ± 8/31 MPa, 4 / 0 ± 5/16 MPa and 2/19 ± 3/52 MPa, which is higher than the mechanical properties of nanocomposite scaffold fiber can be internal or indicates a higher ability to withstand mechanical load during surgery. Accordingly, nerve conduction channel layer of the inner layer Ply¬Vynyl¬Alkl-Elgin: dual membrane scaffold material and the outer layer of poly-caprolactone fumarate Tkhm¬Mrgh and mechanical properties, structural, chemical, and biological convenient and manageable My¬ could be a suitable way for nerve tissue repair.
چکيده آسيب هاي وارده به سيستم اعصاب محيطي، در اثر فعاليت هاي ورزشي و جراحات ناشي از تصادف و ضربه به وجود مي آيد. اگرچه استفاده از کانالهاي هدايت عصبي يک راه مؤثر براي بازسازي اعصاب محيطي است، ولي به دليل عدم انتخاب مواد زيستي و طراحي مناسب، کانالهاي هدايت عصبي که تاکنون توسعه يافتهاند، توانايي کاملاً مطلوب در بازسازي بافت آسيبديده ندارند. هدف از اين پژوهش، ساخت داربست دولايه با خواص مکانيکي، ساختاري، بيولوژيکي و الکتريکي مناسب بهمنظور توسعه کانالهاي هدايت عصبي و بهبود عملکرد و ترميم اعصاب محيطي است. در اين پژوهش، ديواره داخلي کانال دولايه شامل داربست ليفي نانوکامپوزيتي از آلجينات، پليوينيلالکل و نانوذرات گرافن و لايه خارجي شامل داربست دوگانه غشا تخم مرغ-پلي کاپرولاکتون فومارات است. بدين منظور، ابتدا لايه داخلي پلي وينيل الکل-آلجينات:گرافن با استفاده از فرايند الکترويسي ساخته و مشخصه يابي شد. همچنين، تاثير مقادير مختلف نانوذرات گرافن (0، 5/0، 1، 2 و 5 درصد وزني) بر خواص مکانيکي، الکتريکي، شيميايي، تخريب پذيري و زيستي داربست نانوکامپوزيتي بررسي و بهينه سازي شد. در ادامه، به دليل نقش مهم رشد جهت دار سلول هاي عصبي در تسريع فرايند ترميم عصب، نحوه آرايش الياف (موازي و تصادفي) بر خواص مکانيکي و زيستي داربست ارزيابي شد. از آنجايي که يکي از محدوديت هاي داربست هاي تهيه شده به روش الکتروريسي، عدم پايداري مکانيکي کافي در حين جراحي، ضخامت کم و تخلخل غيرقابل کنترل است، شبکه دوگانه اي از غشا تخم مرغ-پلي کاپرولاکتون فومارات توسط نفوذ پلي کاپرولاکتون فومارات به داخل تخلخلهاي غشا تخم مرغ ساخته و مشخصه يابي شد. در اين روش، تاثير نوع حلال پلي کاپرولاکتون فومارات(دي کلرومتان و استيک اسيد) بر مقدار نفوذ پلي کاپرولاکتون فومارات در غشا تخم مرغ و در نتيجه خواص مکانيکي و فيزيکي شبکه دوگانه بررسي شد. بعد از بهينه سازي دولايه فوق، قابليت اتصال دولايه به يکديگر با استفاده از يک لايه ليفي پلي کاپرولاکتون به عنوان غشاي فدا شونده مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج تحقيقات بر غشاي داخلي نشان داد که نانوکامپوزيت حاوي يک درصد وزني گرافن(1Gr-AP) بالاترين رسانايي الکتريکي و بهترين خواص مکانيکي را در مقايسه با ساير نانوکامپوزيت ها دارد. اضافه کردن يک درصد وزني گرافن سبب بهبود چهار برابري چقرمگي و افزايش سه برابري استحکام نسبت به داربست ليفي پلي وينيل الکل-آلجينات خالص(AP) شد. علاوه بر اين، گرافن با کنترل زاويه ترشوندگي، نقش قابل توجهي در نرخ تخريب داربست داشت، به گونه اي که نرخ تخريب داربست از %6/2±3/23 (در داربست AP) به %1/2±7/11 (در داربست 1Gr-AP) کاهش يافت. نتايج کشت سلولي نشان داد که ميزان رشد و تکثير سلول هاي PC12 بر داربست 1Gr-AP به دليل خواص الکتريکي و مکانيکي برتر به طور قابل توجهي بالاتر از ديگر نمونه ها بود. با مقايسه داربست ليفي نانوکامپوزيتي 1Gr-APبا آرايش الياف موازي و تصادفي نتيجه شد که داربست حاوي الياف جهت دار خواص مکانيکي غيريکنواختي را در دو جهت موازي و عمود بر اعمال بار از خود نشان مي دهد. ضمن آنکه خواص مکانيکي داربست 1Gr-AP با الياف جهت دار (چقرمگي= 4/0±5/16 مگاپاسکال استحکام= 7/6±6/29 مگاپاسکال) نسبت به داربست با الياف تصادفي (چقرمگي =5/3±1/8 مگاپاسکال و استحکام= 2/2±1/22 مگاپاسکال) بهبود يافت. همچنين، نتايج سلولي نشان داد که سلول ها بر روي داربست با الياف موازي، چسبندگي، رشد و تکثير بهتري داشته و به دليل ساختار غيريکنواخت آن، به صورت جهت دار رشد کردند. نتايج ارزيابي داربست دوگانه خارجي کانال(غشا تخم مرغ-پلي کاپرولاکتون فومارات) 9نشان داد که اضافه کردن پلي کاپرولاکتون فومارات بدون تغيير قابل توجهي در رفتار زيستي غشا تخم مرغ، سبب بهبود خواص مکانيکي آن شد. به گونه اي که استحکام کششي در ساختار دوگانه با حلال استيک اسيد در مقايسه با غشا تخم مرغ به ميزان 12 برابر و چقرمگي به ميزان 26 برابر افزايش يافتند. نتايج ارزيابي خواص مکانيکي داربست دولايه پلي وينيل الکل-آلجينات:گرافن/غشا تخم مرغ-پلي کاپرولاکتون فومارات نشان داد که استحکام، چقرمگي و ضريب کشساني داربست دوگانه به ترتيب در حدود 1/4±8/31 مگاپاسکال، 4/0±5/16 مگاپاسکال و 2/19±3/52 مگاپاسکال است که بالاتر از خواص مکانيکي داربست ليفي نانوکامپوزيتي داخلي بوده و مي تواند نشان دهنده توانايي بالاتر در تحمل بار مکانيکي در هنگام جراحي باشد. بر اين اساس، کانال هدايت عصبي دولايه متشکل از لايه داخلي پلي وينيل الکل-آلجينات:گرافن و لايه خارجي داربست دوگانه غشا تخم مرغ و پلي کاپرولاکتون فومارات با خواص مکانيکي، ساختاري، شيميايي و زيستي مناسب و قابل کنترل مي تواند پيشنهاد مناسبي جهت ترميم بافت عصب باشد. کلمات کليدي: کانال هدايت عصبي، گرافن، الکتروريسي، غشاتخم مرغ، پليکاپرولاکتونفومارات