ساخت و مشخصه یابی هیدروژل کامپوزیتی هیالورونیک اسید- پپتید/ پلی لاکتیک کو گلایکولیک-گرافن برای مهندسی بافت عصب

STUDENT

DEGREE

YEAR

Degeneration of central nervous system (CNS) is vey harsh and destructive due to the lack of auto regeneration potential in CNS. Also, the regeneration processes are not effective in making new functional tissue. The ongoing processes up to now are cell delivery to the injury site and introducing neurotrophic factors for stimulation the cell growth. Usual treatment methods as oral or venous delivery are not useful in regeneration of injured CNS tissue, as Blood Brain Barrier () is a barrier for penetrating the drug or biological molecules to the CNS. Researchers could fabricate injectable scaffolds which were able to be injected in situ and provide a suitable matrix for cell attachment and growth. For fabricating an effective scaffold, all of the chemical, mechanical and physical properties should be similar to the tissue which is the final target of the regeneration. One of the physical issues in this topic which should be considered, is the alignment of cells which can be provided with fabrication of aligned scaffold. For achieving the suitable chemical and biochemical properties, the surface of the scaffold could be functionalized with chemical or biological molecules to improve the attachment and differentiation of cells. The elastic modulus of the scaffold should be similar to the natural tissue for avoiding the scar tissue. So, the end of this project is fabricating a new hybrid thermoresponsive injectable scaffold based on aligned nanocomposite PLGA-Gr microribbon inside interpenetrating polymer network (IPN) hydrogel of thermo sensitive hyaluronic acid and self-assemble peptide (RADA). At first, PLGA microribbons with two different concentrations (7.5 and 15 % wt) were fabricated through wet spinning method. These microribbons could enhance neural stem cell adherence, alignment, growth and differentiation to neural cells. Self-assemble peptides have the ability to assemble in the temperature of 37 °C to fabricate a nanofibrous structure for simulating the nanofibrous structure of the CNS tissue. In second step, Gr with 0.1, 0.5 and 1 % of polymer weight was added to PLGA during the wet spinning process to make aligned nanotopographies on the surface of the microribbons. Then, a thermosensitive copolymer of Hyaluronic acid and poly n-isopropylacrylamide with two different ratio of each (HA: poly NIPAAm, 1:1, 1:2) was synthesized and characterized. Then, interpenetrating polymer network (IPN) of HA and self assembled Puramatrix with different ratios of Puramatrix (1, 5, 10 % wt) was synthesized. This injectable IPN could result in good mechanical, structural and chemical properties similar to natural tissue. After analyzing the chemical, structural and mechanical properties of IPN hydrogel, the modified samples were selected and cellular behavior tests were performed on them. Then, the cells cultured on microribbons were loaded in the IPN hydrogel and a hybrid 2D-3D injectable scaffold was achieved which could control the 3D dispersion of cells and guide the neural growth along the microribbons alignment at the same time.

آسیبهای وارده به سیستم عصبی مرکزی مانند مغز، نخاع و شبکیه چشم بسیار شدید و مخرب هستند زیرا سیستم عصبی مرکزی ظرفیت بازسازی بسیار محدودی داشته و روشهای حاضر قادر به بازسازی بافت و بازیابی عملکرد آن به طور کامل نیستند. چندین روش امیدوار کننده و موثر با هدف بازیابی برخی از عملکردهای از بین رفته سیستم عصبی در اثر آسیب با عوامل محافظت نورونی که قادر به توقف یا کاهش سرعت آسیبهای سلولی هستند، عوامل نوروتروفیک که رشد سلولها را تحریک می کنند و روشهای انتقال سلول برای جایگزینی بافت از بین رفته، شناسایی و مطالعه شده اند. رساندن عوامل ذکر شده به سیستم عصبی مرکزی یک چالش بسیار بزرگ است زیرا سد خونی-مغزی به عنوان یک مانع در برابر نفوذ مولکولها از طریق روشهای معمول مصرف خوراکی و یا تزریق وریدی عمل می کند. داربستهای تزریق پذیر با غلبه بر چالشهای مطرح شده در روشهای معمول دارورسانی با فراهم کردن یک روش درمانی کاملا غیرتهاجمی و موضعی و همینطور با توانایی ایجاد یک ماتریکس چسبنده برای پر کردن موضع آسیب که باعث افزایش چسبندگی و نرخ زنده ماندن سلولها می شود؛ در زمینه بازسازی این نوع بافت بسیار موثر واقع شده اند. برای موثر واقع شدن داربستهای مذکور در بازسازی باقت عصب مرکزی، کلیه ویژگیهای ساختاری، فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و الکتریکی داربست باید بر اساس ویژگیهای بافت تحت درمان بهینه سازی گردد. از خواص فیزیکی مورد نیاز در این مورد می توان به جهت دار کردن داربستها به منظور جهت دهی به رشد نورونها و رسیدن به نورونهای عملکردی با هدف نهایی بازسازی بافت اشاره کرد. در مورد خواص شیمیایی و بیو شیمایی عامل دار کردن سطوح داربستها برای القای تمایز مناسب و بهبود چسبندگی سلولها از اهمیت بسیاری برخوردار است. خواص مکانیکی داربست به مانند مدول الاستیک نیز باید متناسب با بافت هدف بهینه شود تا مشکلاتی از قبیل تشکیل بافت اسکار اتفاق نیافتد. بنابراین با توجه به مطالب ذکر شده در پژوهش حاضر، داربست قابل تزریق هیبریدی حاوی میکروریبونهای نانوکامپوزیتی پلیمر-گرافن موازی و جهت دار در زمینهای از هیدروژل با شبکه در هم فرورفته (IPN) از دو پلیمر هیالورونیک اسید و پپتید خودآرایش یافته ساخته شد. در ابتدا، میکروریبونهای پلیمری از جنس پلی لاکتید کو گلایکولید با دو درصد وزنی 5/7 و 15 درصد وزنی، به روش ریسندگی تربا هدف موازی سازی سلولها و بهبود چسبندگی، رشد و تمایز سلولهای بنیادی عصبی به سمت سلولهای نورون ساخته شد. در مرحله بعدی برای بهینه سازی سطح میکروریبونها با هدف بهبود چسبندگی سلولها، گرافن با درصد 1/0، 5/0 و 1 درصد وزنی پلیمر به میکروریبونها اضافه شده و باعث ایجاد توپوگرافی در مقیاس نانو و به شکل موازی بر سطح میکروریبونها گردید. در مرحله بعدی هیدروژل هیالورونیک اسید قابل تزریق و حساس به دما با کوپلیمریزه کردن هیالورونیک اسید با پلیمر پلی ان ایزوپروپیل اکریل امید با دو نسبت مختلف از هیالورونیک اسید و پلیمر پلی ان ایزوپروپیل اکریل آمید (1-1 و 1-2) ساخته شده و مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس، برای ساخت هیدروژل با شبکه در هم فرورونده (IPN) از پپتید خودآرای پوراماتریکس با درصدهای 1، 5 و 10 درصد وزنی به عنوان عامل دوم در زمینه هیدروژل هیالورونیک اسید استفاده شد. هدف از استفاده از IPN قابل تزریق، دستیابی همزمان به خواص مکانیکی و شیمیایی مطلوب و ساختار نانولیفی مشابه با زمینه بافت است. پپتیدهای خودآرایش یافته از مواد بیولوژیک هستند که در دمای بدن به ساختار نانولیفی تبدیل میشود. بعد از بررسی خواص شیمیایی، ساختاری و مکانیکی هیدروژلهای IPN حاصل، نمونههای بهینه انتخاب شده وارزیابی رفتار سلولی بر روی این نمونهها انجام گرفت. در ادامه، با بررسی رفتار سلولی سلولهای کشت داده شده بر سطح میکروریبونهای تلفیق شده با هیدروژل IPN، امکان تلفیق ساختار دوبعدی میکروریبون ببه همراه ساختار سه بعدی هیدروژل با هدف ایجاد یک داربست قابل تزریق به عنوان یک محیط مناسب برای رشد و تمایز سلولی بررسی شد که در این ساختار، ضمن کنترل دقیق توزیع فضایی سلولها، امکان جهتدهی نورونها توسط میکروریبونها فراهم آورده میشود.