سنتز و بررسی خواص مکانیکی و زیست‌فعالی داربست پایه بتا تری‌کلسیم فسفات- بریدیجیت به‌روش فضاساز برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان

نویسندگان

1 گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی مواد و صنایع، دانشگاه صنعتی نوشیروانی، بابل، ایران

2 گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجف آباد، اصفهان، ایران

چکیده

علم مهندسی بافت در کنار علم پزشکی به احیا و ترمیم بافت‌ها و اندام‌های آسیب دیده می‌پردازد. هدف اصلی استفاده از داربست‌ها، بازسازی مجدد بافت‌های بدن است. انتخاب نوع و جنس داربست به‌دلیل اینکه درنهایت جایگزین بافت آسیب دیده می‌شود بسیار مهم است. توسعه مواد داربست کامپوزیتی سرامیک زیست‌فعال با استحکام مکانیکی بهبود یافته، موضوعی بوده است که مورد توجه مهندسی بافت استخوان قرار گرفته است. در مطالعه حاضر، پس از سنتز پودرهای بتا تری‌کلسیم فسفات و بریدیجیت به‌ترتیب با روش‌های واکنش حالت جامد و سل ژل، داربست کامپوزیتی بیوسرامیکی بتا تری‌کلسیم فسفات/ بریدیجیت (25، 35 و 45 درصد وزنی بریدیجیت) با شبکه منافذ به‌هم پیوسته و مناسب برای بازسازی استخوان با استفاده از روش فضاساز ساخته شد. این مقاله به بررسی تأثیر افزودن مقادیر بالای بریدیجیت بر خصوصیات مکانیکی و بیولوژیکی داربست بتا تری‌کلسیم فسفات می‌‌پردازد. ترکیب‌های فازی، ساختار متخلخل، ویژگی‌های مکانیکی و ویژگی‌های زیست‌فعالی این داربست‌ها به‌ترتیب با استفاده از پراش پرتوی ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی، آزمون‌های مکانیکی و زیست‌فعالی بررسی شد. ارزیابی ریزساختاری داربست‌های کامپوزیتی، منافذ به‌هم پیوسته با محدوده قطر 600-200 میکرومتر و میانگین اندازه منافذ 421/13 میکرومتر؛ با تخلخل حدود 79-75 درصد را نشان می‌دهد. نتایج نشان داد که استحکام فشاری داربست‌های   β-TCP/25Bre (2/7 مگاپاسکال) در مقایسه با داربست‌های (β-TCP/45Bre) (2/0 مگاپاسکال) به‌دلیل توزیع یکنواخت‌تر بریدیجیت و عدم آگلومره شدن این فاز در مرزدانه‌ها بالاتر است. همچنین طبق نتایج زیست‌فعالی، غوطه‌وری در محلول شبیه‌سازی شده بدن منجر به شکل‌گیری لایه آپاتیت استخوانی به‌صورت پیوسته روی سطح داربست‌ها شده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

SYNTHESIS AND EVALUATION OF MECHANICAL AND BIOACTIVE PROPERTIES OF β-TCP/ BREDIGITE SCAFFOLD FOR BONE TISSUE ENGINEERING APPLICATIONS

نویسندگان [English]

  • F. Mofid Nakhae 1
  • M. Rajabi 1
  • H. R. Bakhsheshi-rad 2
1 Department of Materials Engineering, Faculty of Materials and Industries Engineering, Noshirvani University of Technology, Babol.
2 Department of Materials Engineering, Faculty of Materials Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.
چکیده [English]

Development of bioactive ceramic composite scaffold materials with enhanced mechanical strength has been a topic of great interest in bone tissue engineering. In the present study, β-tricalcium phosphate scaffolds with various amounts of bredigite and an interconnected pore network suitable for bone regeneration were fabricated by the space holder method. The effect of high concentrations of bredigite on the structure, mechanical properties (compressive strength), and in vitro bioactivity was investigated. According to the results, immersion in simulated body fluid (SBF) led to the apatite formation on the surface of the scaffold, but increasing the bredigite content caused the agglomeration of the bredigite phase at the grain boundaries and deteriorated the mechanical properties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tissue engineering
  • β-Tricalcium phosphate
  • Bredigite
  • Porous scaffold
  • Space holder method

مراجع

1. Niaza, K. V., Senatov, F. S., Kaloshkin, S. D., Maksimkin, A. V., and Chukov, D. I., “3D-Printed Scaffolds Based on PLA/HA Nanocomposites for Trabecular Bone Reconstruction”, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 741, pp. 28-30, 2016.
2. Tabata, Y., “Recent Progress in Tissue Engineering”, Drug Discovery Today, Vol. 6, pp. 483-487, 2001.
3. Mikos, A. G., and Temenoff, J. S., “Formation of Highly Porous Biodegradable Scaffolds for Tissue Engineering”, Electronic Journal of Biotechnology, Vol. 3, pp. 23-24, 2000.
4. Derakhshanfar, S., Mbeleck, R., Xu, K., Zhang X., Zhong, W., and Xing, M., “3D Bioprinting for Biomedical Devices and Tissue Engineering: A Review of Recent Trends and Advances”, Bioactive Materials, Vol. 3, pp.144-156, 2018.
5. Karageorgiou, V., and Kaplan, D., “Porosity of 3D Biomaterial Scaffolds and Osteogenesis”, Biomaterials, Vol. 26, pp. 5474-91, 2005.
6. Tanodekaew, S., Channasanon, S., Kaewkong, P., and Uppanan, P., “PLA-HA Scaffolds: Preparation and Bioactivity”, Procedia Engineering, Vol. 59, pp. 144-149, 2013.
7. Nalla, R. K., Kinney, J. H., and Ritchie, R., “Mechanistic Fracture Criteria for Failure of Human Cortical Bone”, Nature Materials, Vol. 2, pp. 164-169, 2003.
8. Asa’ad, F., Pagni, G., Pilipchuk, S. P., Gianni, A. B., Giannobile, W. V., and Rasperini, G., “3D-Printed Scaffolds and Biomaterials: Review of Alveolar Bone Augmentation and Periodontal Regeneration Applications”, International Journal of Dentistry, Vol. 2016, pp. 1-16, 2016.
9. Mirhadi, B., Mehdikhani, B., and Askari, N., “Synthesis of Nano-Sized β-Tricalcium Phosphate via Wet Precipitation”, Processing and Application of Ceramics, Vol. 5, pp. 193-198, 2011.
10. Salehi, S., and Fathi, M. H., “Fabrication and Characterization of Sol-Gel Derived Hydroxyapatite/Zirconia Composite Nanopowders with Various Yttria Contents”, Ceramics International, Vol. 36, pp. 1659-1667, 2010.
11. Mirhadi, S. M., Tavangarian, F., and Emadi, R., “Synthesis, Characterization and Formation Mechanism of Single-phase Nanostructure Bredigite Powder”, Materials Science and Engineering C, Vol. 32, pp.133-139, 2012.
12. Shi, J., Votruba, A. R., Farokhzad, O. C., and Langer, R., “Nanotechnology in Drug Delivery and Tissue Engineering: from Discovery to Applications”, Nano Letters, Vol. 10, pp. 3223-3230, 2010.
13. Ghomi, H., Emadi, R., and Haghjooye Javanmard, Sh., “Fabrication and Characterization of Nanostructure Diopside Scaffolds Using the Space Holder Method: Effect of Different Space Holders and Compaction Pressures”, Materials & Design, Vol. 91, pp. 193-200, 2016.
14. Lopes, J. H., Magalha, J. A., Gouveia, R. F., Bertran, C. A., Motisuke, M., Camargo, S., and Triche, E., “Hierarchical Structuresof β-TCP/45S5 Bioglasshybrid Scaffolds Preparedbygelcasting”, Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, Vol. 62, pp. 10-23, 2016.
15. Bakhsheshi-Rad, H. R, Hamzah, E., Abbasizadeh, N., Najafinezhad, A., and Kashefian, M., “Synthesis of Novel Nanostructured Bredigite–Amoxicillin Scaffolds for Bone Defect Treatment: Cytocompatibility and Antibacterial Activity”, Journal of Sol-Gel Science and Technology, Vol. 86, pp. 83-93, 2018.
16. Ibsen, C. J. S., and Birkedal, H., “Pyrophosphate-Inhibition of Apatite Formation Studied by In Situ
X-Ray Diffraction”, Minerals, Vol. 8, p. 65, 2018.
17. Saiz, E., Gremillard, L., Menendez, G., Miranda, P., Gryn, K., and Tomsia, A. P., “Preparation of Porous Hydroxyapatite Scaffolds”, Materials Science and Engineering: C, Vol. 27, pp. 546-550, 2007.
18. Bohner, M., and Lemaitre, J., “Can Bioactivity be Tested In Vitro with SBF Solution?”, Biomaterials, Vol. 30 , pp. 2175-2179, 2009.
19. Nakhaee, F. M., Rajabi, M., and Bakhsheshi-Rad, H. R., “In-Vitro Assessment of β-Tricalcium Phosphate/Bredigite-Ciprofloxacin (CPFX) Scaffolds for Bone Treatment Applications”, Biomedical Materials, Vol. 16, p. 045038, 2021.
20. Hamvar, M., Bakhsheshi-Rad, H. R., Omidi, M., Fauzi Ismail, A., Aziz, M., Berto, F., and Chen, X., “Biocompatibility and Bioactivity of Hardystonite-Based Nanocomposite Scaffold for Tissue Engineering Applications”, Biomedical Physics & Engineering Express, Vol. 6, p. 035011, 2020.
21. Asghari, F., Samiei, M., Adibkia, Kh., Akbarzadeh, A., and Davaran, S., “Biodegradable and Biocompatible Polymers for Tissue Engineering Application: A Review”, Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology, Vol. 45, pp. 185-192, 2017.
22. Eilbagi, M., Emadi, R., Raeissi, K., Kharaziha, M., and Valiani, A., “Mechanical and Cytotoxicity Evaluation of Nanostructured Hydroxyapatite-Bredigite Scaffolds for Bone Regeneration”, Materials Science and Engineering C, Vol. 68, pp. 603-612, 2016.
23. Sadeghzade, S., Emadi, R., Tavangarian, F., and Naderi, M., “Fabrication and Evaluation of Silica-based Ceramic Scaffolds for Hard Tissue Engineering Applications”, Journal of Materials Science, Vol. 71, pp: 431-438, 2017.
24. Ochsner, A., and Ahmed, W., Biomechanics of Hard Tissues: Modeling, Testing, and Materials, John Wiley & Sons, 2011.
25. Liu, C., Zhang, J., Sun, J., Zhang, X., and Hu, Y., “Addition of Al-Ti-C Master Alloys and Diopside to Improve the Performance of Alumina Matrix Ceramic Materials”, Ceramics International, Vol. 33, pp. 1149-1154, 2007.
26. Kokubo, T., Kim, H. M., and Kawashita, M., “Novel Bioactive Materials with Different Mechanical Properties”, Biomaterials, Vol. 24, pp. 2161-2175, 2003.
27. Wu, Ch., Chang, J., Zhai. W., and Ni, S., “A Novel Bioactive Porous Bredigite (Ca7MgSi4O16) Scaffold with Biomimetic Apatite Layer for Bone Tissue Engineering”, Materials Science Materials in Medicine, Vol. 18, pp. 857-864, 2007.
28. Wu, Ch., and Chang, J., “Degradation, Bioactivity, and Cytocompatibility of Diopside, Akermanite, and Bredigite Ceramics”, Biomedical Material Research Part B: Application Biomaterials, Vol. 83, pp. 153-160, 2007.
29. Denry, I., and Kuhn, L. T., “Design and Characterization of Calcium Phosphate Ceramic Scaffolds for Bone Tissue Engineering”, Dental Materials, Vol. 32, pp.43-53, 2016.
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 40، شماره 3
آبان 1400
صفحه 79-97

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی