ارزیابی ساختاری و مکانیکی داربست گرادیانی پلی کاپرولاکتون به‌منظور کاربرد در مهندسی بافت استخوان

نویسندگان

دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

چکیده

چکیده- در داربست‌های گرادیانی درصد، اندازه تخلخل و یا ترکیب شیمیایی مواد موجود در داربست به‌صورت گرادیانی در آن تغییر می‌کنند. اخیراً از روش‌های مختلفی جهت ایجاد گرادیان در داربست استفاده شده است. اما این روش‌ها محدودیت‌هایی از جمله گران بودن فرایند ساخت، در دسترس نبودن تجهیزات، پیچیدگی کنترل شرایط ایجاد گرادیان، پیچیدگی کنترل شکل، اندازه، درصد و راه ‌در‌هم بودن تخلخل‌ها را دارا هستند. هدف از انجام این تحقیق ابداع روشی جدید، کارامد، ساده و با صرف کمترین هزینه به‌منظور ایجاد گرادیان در تخلخل داربست‌ بوده است. دو داربست همگن (نوع 1 و نوع 2) و دو داربست گرادیانی (نوع 1 و نوع 2) ساخته و با هم مقایسه شدند. گرادیان در راستای شعاع داربست، با ادغام دو روش لایه‌به‌لایه و روش شستشوی ذرات تخلخل‌ساز ایجاد شد. از پلیمر پلی‌کاپرولاکتون به‌عنوان ماده اصلی و از میکروذرات پارافین در دو بازه اندازه ذرات 250 تا 420 میکرومتر و 420 تا 600 میکرومتر به‌عنوان تخلخل‌ساز استفاده شد. درصد تخلخل داربست همگن نوع یک، همگن نوع دو، گرادیان نوع یک و گرادیان نوع دو، به‌ترتیب 25/1 ± 5/77، 5/3± 3/61، 5/0 ± 74 و 4 ± 8/79 درصد به‌دست آمد؛ گفتنی است که درصد تخلخل مورد نیاز برای رشد و زنده‌مانی سلول بالای 70 درصد است. که درصد تخلخل داربست‌های گرادیانی جهت استفاده در مهندسی بافت استخوان مناسب است. همچنین میانگین اندازه تخلخل برای دو نوع داربست همگن یک و دو به‌ترتیب 23/11 ± 48/278 و 62/14 ± 79/417 میکرومتر به‌دست آمد که این اعداد نیز برای مهندسی بافت استخوان مطلوب هستند. استحکام فشاری در 80 درصد کرنش و مدول فشاری داربست‌ها با ترتیب ذکر شده در بالا 16/0 ± 16/0 و 11/0 ± 25/0 مگاپاسکال، 26/0 ± 20/0 و 34/0 ± 53/0 مگاپاسکال، 19/0 ± 34/0 و 43/0 ± 33/0 مگاپاسکال و 12/0 ± 28/0 و 51/0 ± 17/0 مگاپاسکال اندازه‌گیری شد. پایین بودن ارقام استحکام نشان می‌دهد که استفاده از پلی‌کاپرولاکتون به‌تنهایی مناسب نبوده است. همچنین مقایسه این نتایج نشان می‌دهد که گرادیانی کردن تخلخل‌ها تأثیر چندانی بر خواص مکانیکی داربست‌ها نداشته است. گرادیان در تخلخل، پیوستگی کامل بین دو لایه داربست و عدم وجود فصل مشترک بین آنها در تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که روش استفاده شده در ساخت داربست گرادیانی مناسب بوده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Structural and Mechanical Evaluation of Polycaprolactone Scaffold with the Gradient Porous Microstructure for Bone Tissue Engineering

نویسندگان [English]

  • M. Akbari Taemeh
  • B. Akbari
  • J. Nourmohammadi
چکیده [English]

In gradient scaffolds, changes in porosity, pore size or chemical composition occur gradually. Recently, different  methods have been applied to create gradient in the scaffolds, but they have some disadvantages such as high cost and control. The main purpose of this research was to fabricate porous gradient scaffolds by a novel, functional, simple, and low-cost method. Two homogenous scaffolds (Homog 1 and Homog 2) and two gradient scaffolds (Grad 1 and Grad 2) were fabricated and compared. Polycaprolactone scaffolds with the pore size gradient along the radial direction were fabricated by combining layer-by-layer assembly and porogen leaching techniques. Paraffin micro particles were used as porogen in two size ranges: 250 to 420 µm and 420 to 600 µm. The average pore size of Homog 1 and Homog 2 was 278.48 ± 11.23 µm and 417.79 ± 14.62, which were suitable for bone tissue engineering. The porosity of the samples was: Homog 1: 77.5 ± 1.25 %, Homog 2: 61.3 ± 3.5 %, Grad 1: 74 ± 0.5 % and Grad 2: 79.8 ± 4 %. It should be stated that the required porosity for cell survival and growth was above 70 %. Compressive strength at 80% strain and compressive modulus for Homog 1, Homog 2, Grad 1 and Grad 2 were 0.16 ± 0.16 MPa and 0.25 ± 0.11 MPa, 0.26 ± 0.20 MPa and 0.53 ± 0.34 MPa, 0.19 ± 0.34 MPa and 0.33 ± 0.43 MPa, 0.12 ± 0.28 MPa and 0.16 ± 0.51 MPa, respectively. The results showed that pore size gradient had a negligible effect on the mechanical properties of the scaffolds and using polycaprolactone (PCL) as the only material of scaffold was not appropriate. The structure of gradient scaffolds showed the radial pore size gradient with a good adhesion between layers without any detectable interface; the result of the compression test also confirmed it.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polycaprolactone (PCL)
  • Gradient scaffold
  • Pore size
  • Layer-by-layer assembly
  • Porogen leaching
1. Lanza, R., Langer, R., and Vacanti, J., Principle of Tissue Engineering, 3rd ed., Academic Press, p. 1344, 2007.
2. Hong, S., and Kim, G. H., “Fabrication of Size-Controlled Three-dimensional Structures Consisting of Electrohydrodynamically Produced Polycaprolactone Micro/Nanofibers”, Applied Physics A, Vol. 103, pp. 1009-1014, 2011.
3. Yilgor, P., Sousa, R. A., Reis, R. L., Hasirci, N., and Hasirci, V., “3D Plotted PCL Scaffolds for Stem Cell Based Bone Tissue Engineering”, Macromolecular Symposia, Vol. 269, No. 1, pp. 92-99, 2008.
4. Flemming, R. G., Murphy, C. J., Abrams, G. A., Goodman , S. L., and Nealey, P. F., “Effects of Synthetic Micro- and Nano-structured Surfaces on Cell Behavior”, Biomaterials, Vol. 20, pp. 573-588, 1999.
5. Moztarzadeh, F., Rabiei, M., and Nourmohammadi, Zh., Application of Composites in Biomedical Engineering, 3rd ed., Amirkabir University Press, 2015.
6. Karageorgiou, V., and Kaplan, D., “Porosity of 3D Biomaterial Scaffolds and Osteogenesis”, Biomaterials, Vol. 26, pp. 5474-5491, 2005.
7. Sobral, J. M., Caridade, S. G., Sousa, R. A., Mano, J. F., and Reis, R. L., “Three-dimensional Plotted Scaffolds with Controlled Pore Size Gradients: Effect of Scaffold Geometry on Mechanical Performance and Cell Seeding Efficiency”, Acta Biomaterailia, Vol. 7, pp. 1009-1018, 2011.
8. Oh, S. H., Park, I. K., Kim, J. M., and Lee, J. H., “In Vitro and In Vivo Characteristics of PCL Scaffolds with Pore Size Gradient Fabricated by a Centrifugation Method”, Biomaterials, Vol. 28, pp. 1664-1671, 2007.
9. Harley, B. A., Hastings, A. Z., Yannas, I. V., and Sannino, A., “Fabricating Tubular Scaffolds with a Radial Pore Size Gradient by a Spinning Technique”, Biomaterials, Vol. 27, pp. 866-874, 2006.
10. Woodfield, T. B. F., Blitterswijk, C. V., Wijn, J. D., Sims, T. J., Hollander, A. P., and Riesle, J., “Polymer Scaffolds Fabricated with Pore-size Gradients as a Model for Studying the Zonal Organization within Tissue-Engineered Cartilage Constructs”, Tissue Engineering, Vol. 11, pp. 1297-1311, 2005.
11. Salmoria, G. V., Ahrens, C. H., Klauss, P., Paggi, R. A., Oliveira, R. G., and Lago, A. “Rapid Manufacturing of Polyethylene Parts with Controlled Pore Size Gradients using Selective Laser Sintering”, Materials Research, Vol. 10, pp. 211-21, 2007.
12. Wu, H., Wan, Y., Cao, X., Dalai, S., Wang, S., and Zhang, S., “Fabrication of Chitosan-g-Polycaprolactone Copolymer Scaffolds with Gradient Porous Microstructures”, Materials Letters, Vol. 62, pp. 2733-2736, 2008.
13. Zhang, Q., Lu, H., Kawazoe, N., and Chen, G., “Preparation of Collagen Porous Scaffolds with a Gradient Pore Size Structure using Ice Particulates”, Materials Letters, Vol. 107, pp. 280-283, 2013.
14. Zhang, R., and Ma, P. X., “Poly (α-Hydroxyl Acids)/Hydroxyapatite Porous Composites for Bone-Tissue Engineering. I. Preparation and Morphology”, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 44, pp. 446-455, 1999.
15. Guan, J., Fujimoto, K. L., Sacks, M. S., and Wagner, W. R., “Preparation and Characterization of Highly Porous, Biodegradable Polyurethane Scaffolds for Soft Tissue Applications”, Biomaterials, Vol. 26, pp. 3961-3971, 2005.
16. Ma, P. X., and Choi, J. W., “Biodegradable Polymer Scaffolds with Well-defined Interconnected Spherical Pore Network”, Tissue Engineering, Vol. 7, pp. 23-33, 2001.
17. Murphy, C. M., Haugh, M. G., and O'Brien, F. J., “The Effect of Mean Pore Size on Cell Attachment, Proliferation and Migration in Collagen-Glycosaminoglycan Scaffolds for Bone Tissue Engineering”, Biomaterials, Vol. 31, pp. 461-466, 2010.
18. Martins, A. M., Santos, M. I., Azevedo, H. S., Malafaya, P. B., and Reis, R. L., “Natural Origin Scaffolds with In Situ Pore Forming Capability for Bone Tissue Engineering Applications”, Acta Biomaterailia, Vol. 4, pp. 1637-1645, 2008.
19. Akbari Taemeh, M., Akbari, B., and Nourmohammadi, J., “Fabrication of Polycaprolactone Scaffold with Gradient Porous Microstructure for Bone Tissue Engineering”, MSc Thesis, University of Tehran, Tehran, Iran, 2016.
20. Guarino, V., Causa, F., Netti, P. A., Ciapetti, G., Pagani, S., Martini, D., and Ambrosio, L., “The Role of Hydroxyapatite as Solid Signal on Performance of PCL Porous Scaffolds for Bone Tissue Regeneration”, Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, Vol. 86, pp. 548-557, 2008.
21. Zong, X., Ran, S., Kim, K. S., Fang, D., Hsiao, B. S., and Chu, B., “Structure and Morphology Changes During In vitro Degradation of Electrospun Poly (Glycolide-co-Lactide) Nanofiber Membrane”, Biomacromolecules, Vol. 4, pp. 416-423, 2003.
22. Ma, P. X., and Zhang, R. “Synthetic Nano-Scale Fibrous Extracellular Matrix”, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 46, pp. 60-72, 1999.
23. Ma, P. X., Zhang, R., Xiao, G., and Franceschi, R., “Engineering New Bone Tissue In vitro on Highly Porous Poly (Alpha-Hydroxyl Acids)/Hydroxyapatite Composite Scaffolds”, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 54, pp. 284-293, 2001.
24. Zhang, R., and Ma, P. X., “Synthetic Nano-fibrillar Extracellular Matrices with Predesigned Macroporous Architectures”, Journal of Biomedical Materials Research, Vol, 52, pp. 430-438, 2000.
25. Koupaei, N., Karkhaneh, A., and Daliri Joupari, M., “Preparation and Characterization of (PCL‐crosslinked‐PEG)/Hydroxyapatite as Bone Tissue Engineering Scaffolds”, Journal of Biomedical Materials Research Part A, Vol. 103, pp. 3919-3926, 2015.
26. Eshraghi, S., and Das, S., “Mechanical and Microstructural Properties of Polycaprolactone Scaffolds with One-Dimensional, Two-Dimensional, and Three-Dimensional Orthogonally Oriented Porous Architectures Produced by Selective Laser Sintering”, Acta Biomaterialia, Vol. 6, pp. 2467-2476, 2010
27. Phani, K. K., and Niyogi, S., “Young's Modulus of Porous Brittle Solids”, Journal of Materials Science, Vol. 22, pp. 257-263, 1987.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی