ساخت و توسعه‌ کانال هدايت عصبي نانوکامپوزيت گرافن سه‌بعدي/پلي‌کاپرولاکتون به روش رسوب شيميايي 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 دليل خواص منحصر به فردي چون هدايت الکتريکي و استحکام مکانيکي بالا، ساختار متخلخل جهت تبادل مواد مغذي و مواد زائد، زيست سازگاري مطلوب، امکان بارگذاري دارو، فاکتورهاي رشد و سلول‌هاي بنيادي در سال‌هاي اخير در مهندسي بافت‌هاي مختلف از جمله ساخت کانال هدايت عصبي مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش ساخت کانال هدايت عصبي بر پايه گرافن سه‌بعدي با روش رسوب شيميايي بخار (CVD) مد نظر قرار گرفت. چالش استفاده از فوم گرافن حاصل از CVD، قابليت کار با دست و قابليت جابجاي کم آن مي‌باشد. بدين منظور، استفاده از يک پوشش پليمري تخريب‌پذير توسعه داده شده است. از ميان پليمرهاي استفاده شده در ساخت کانال هدايت عصبي، پلي‌کاپرولاکتون به دليل نرخ ‌تخريب‌ و زيست سازگاري مناسب و استفاده به عنوان يک ماده پرمصرف در کانال هدايت عصبي انتخاب شد. ابتدا گرافن سه‌بعدي به روش رسوب شيميايي بخار و در سه دماي مختلف روي زيرلايه فوم نيکل سنتز شده و سپس زيرلايه نيکلي با استفاده از محلول اچ نيکل حذف شد. به منظور حفظ ساختار سه بعدي گرافن سنتز شده در طي حذف نيکل، از سايکلودودکان به عنوان لايه محافظ استفاده شد. جهت وارد نمودن پلي‌کاپرولاکتون در ساختار از روش‌هاي پوشش‌دهي قطره‌اي و غوطه‌وري (Drop-Dip)، غوطه‌وري (PCL-CD) و غوطه‌وري در مخلوط دو پليمر (MIX) استفاده شد. نمونه‌ها با استفاده از آناليز رامان، ميکروسکوپ الکتروني روبشي، اسپکتروسکوپي فوتون اشعه ايکس، آناليز حرارتي، خواص الکترومکانيکي، تعيين زاويه تماس ، زبري سطح و آزمون کشت سلولي مشخصه‌يابي شدند. آناليز رامان نمونه‌ها نشان داد که گرافن سنتز شده به صورت گرافن چندلايه‌ي توربواستراتيک و با عيوب بسيار کم مي‌باشد. تصاوير ميکروسکوپي الکتروني روبشي نيز حضور گرافن سه بعدي را تاييد نمود. بررسي و مقايسه خواص الکترومکانيکي کانال گرافن سه بعدي/پلي‌کاپرولاکتون ساخته شده با روش‌هاي مختلف با کانال پليمري پلي‌کاپرولاکتون نشان داد که حضور گرافن سه ‌بعدي باعث هادي شدن کانال هدايت کامپوزيتي شد (کاهش مقاومت الکتريکي تا 10/0 اهم سانتي‌متر) که انتظار مي‌رود بهبود فرايند ترميم عصب و رشد آکسون‌ها را به دنبال داشته باشد. همچنين استحکام مکانيکي کانال حاوي گرافن سه بعدي در مقايسه با کانال هدايت پلي‌کاپرولاکتون افزايش يافته است. در ميان روش‌هاي مختلف ساخت کانال، نمونه تهيه شده با پوشش‌دهي قطره‌اي و سپس غوطه‌وري، بهترين خواص مکانيکي (استحکام کششي بيشينه حدود 2 مگاپاسکال) را نشان داد. اين نمونه انعطاف‌پذيري و قابليت خم شدن خوبي داشت به نحوي که مي‌توان آن را به راحتي برش داد. نتيجه قابل توجه ديگر در اين پژوهش، ساخت کامپوزيتي با پوشش پليمري متخلخل مي‌باشد که با روش مخلوط نمودن محلول‌هاي پلي‌کاپرولاکتون و سايکلودودکان ايجاد شد. نمونه ساخته شده با اين روش ترد و شکننده مي‌باشد ولي به عنوان يک ماده حاوي تخلخل با ابعاد ماکرومتري و ميکرومتري قابليت استفاده در کاربردهاي ديگر را دارد. نتايج آزمون زبري سنجي سطح نشان داد که زبري سطح نمونه‌ها در محدوده 4/18 تا 2/17 ميکرومتر قرار داشته و تفاوت معناداري با يکديگر ندارند. نتايج آزمون کشت سلولي نشان داد که در حالي که تعداد سلول‌هاي عصبي PC12 روي نمونه PCL خالص با نمونه کنترل تفاوتي ندارد، اما در نمونه‌هاي کامپوزيتي PCL-CD و نمونه MIX درصد زندماني سلول‌ها افزايش يافته است. اين نشان مي‌دهد حضور گرافن سه بعدي باعث افزايش زندماني سلول‌ها شده است. بالاترين درصد زندماني سلولي بر نمونه PCL-CD مشاهده شد(14±143). علت اين افزايش زنده ماندن سلولي علاوه بر حضور گرافن سه بعدي در ساختار، مورفولوژي سوزني شکل پلي‌کاپرون در سطح گرافن سه بعدي مي‌باشد.