ساخت و مشخصه يابي هيدروژل کامپوزيتي هيالورونيک اسيد- پپتيد/ پلي لاکتيک کو گلايکوليک-گرافن براي مهندسي 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.

آسيبهاي وارده به سيستم عصبي مرکزي مانند مغز، نخاع و شبکيه چشم بسيار شديد و مخرب هستند زيرا سيستم عصبي مرکزي ظرفيت بازسازي بسيار محدودي داشته و روشهاي حاضر قادر به بازسازي بافت و بازيابي عملکرد آن به طور کامل نيستند. چندين روش اميدوار کننده و موثر با هدف بازيابي برخي از عملکردهاي از بين رفته سيستم عصبي در اثر آسيب با عوامل محافظت نوروني که قادر به توقف يا کاهش سرعت آسيبهاي سلولي هستند، عوامل نوروتروفيک که رشد سلولها را تحريک مي کنند و روشهاي انتقال سلول براي جايگزيني بافت از بين رفته، شناسايي و مطالعه شده اند. رساندن عوامل ذکر شده به سيستم عصبي مرکزي يک چالش بسيار بزرگ است زيرا سد خوني-مغزي به عنوان يک مانع در برابر نفوذ مولکولها از طريق روشهاي معمول مصرف خوراکي و يا تزريق وريدي عمل مي کند. داربستهاي تزريق پذير با غلبه بر چالشهاي مطرح شده در روشهاي معمول دارورساني با فراهم کردن يک روش درماني کاملا غيرتهاجمي و موضعي و همينطور با توانايي ايجاد يک ماتريکس چسبنده براي پر کردن موضع آسيب که باعث افزايش چسبندگي و نرخ زنده ماندن سلولها مي شود؛ در زمينه بازسازي اين نوع بافت بسيار موثر واقع شده اند. براي موثر واقع شدن داربستهاي مذکور در بازسازي باقت عصب مرکزي، کليه ويژگيهاي ساختاري، فيزيکي، شيميايي، مکانيکي و الکتريکي داربست بايد بر اساس ويژگيهاي بافت تحت درمان بهينه سازي گردد. از خواص فيزيکي مورد نياز در اين مورد مي توان به جهت دار کردن داربستها به منظور جهت دهي به رشد نورونها و رسيدن به نورونهاي عملکردي با هدف نهايي بازسازي بافت اشاره کرد. در مورد خواص شيميايي و بيو شيمايي عامل دار کردن سطوح داربستها براي القاي تمايز مناسب و بهبود چسبندگي سلولها از اهميت بسياري برخوردار است. خواص مکانيکي داربست به مانند مدول الاستيک نيز بايد متناسب با بافت هدف بهينه شود تا مشکلاتي از قبيل تشکيل بافت اسکار اتفاق نيافتد. بنابراين با توجه به مطالب ذکر شده در پژوهش حاضر، داربست قابل تزريق هيبريدي حاوي ميکروريبونهاي نانوکامپوزيتي پليمر-گرافن موازي و جهت دار در زمينهاي از هيدروژل با شبکه در هم فرورفته (IPN) از دو پليمر هيالورونيک اسيد و پپتيد خودآرايش يافته ساخته شد. در ابتدا، ميکروريبونهاي پليمري از جنس پلي لاکتيد کو گلايکوليد با دو درصد وزني 5/7 و 15 درصد وزني، به روش ريسندگي تربا هدف موازي سازي سلولها و بهبود چسبندگي، رشد و تمايز سلولهاي بنيادي عصبي به سمت سلولهاي نورون ساخته شد. در مرحله بعدي براي بهينه سازي سطح ميکروريبونها با هدف بهبود چسبندگي سلولها، گرافن با درصد 1/0، 5/0 و 1 درصد وزني پليمر به ميکروريبونها اضافه شده و باعث ايجاد توپوگرافي در مقياس نانو و به شکل موازي بر سطح ميکروريبونها گرديد. در مرحله بعدي هيدروژل هيالورونيک اسيد قابل تزريق و حساس به دما با کوپليمريزه کردن هيالورونيک اسيد با پليمر پلي ان ايزوپروپيل اکريل اميد با دو نسبت مختلف از هيالورونيک اسيد و پليمر پلي ان ايزوپروپيل اکريل آميد (1-1 و 1-2) ساخته شده و مورد ارزيابي قرار گرفت. سپس، براي ساخت هيدروژل با شبکه در هم فرورونده (IPN) از پپتيد خودآراي پوراماتريکس با درصدهاي 1، 5 و 10 درصد وزني به عنوان عامل دوم در زمينه هيدروژل هيالورونيک اسيد استفاده شد. هدف از استفاده از IPN قابل تزريق، دستيابي همزمان به خواص مکانيکي و شيميايي مطلوب و ساختار نانوليفي مشابه با زمينه بافت است. پپتيدهاي خودآرايش يافته از مواد بيولوژيک هستند که در دماي بدن به ساختار نانوليفي تبديل ميشود. بعد از بررسي خواص شيميايي، ساختاري و مکانيکي هيدروژلهاي IPN حاصل، نمونههاي بهينه انتخاب شده وارزيابي رفتار سلولي بر روي اين نمونهها انجام گرفت. در ادامه، با بررسي رفتار سلولي سلولهاي کشت داده شده بر سطح ميکروريبونهاي تلفيق شده با هيدروژل IPN، امکان تلفيق ساختار دوبعدي ميکروريبون ببه همراه ساختار سه بعدي هيدروژل با هدف ايجاد يک داربست قابل تزريق به عنوان يک محيط مناسب براي رشد و تمايز سلولي بررسي شد که در اين ساختار، ضمن کنترل دقيق توزيع فضايي سلولها، امکان جهتدهي نورونها توسط ميکروريبونها فراهم آورده ميشود.