ارزیابی خواص آنتی‌باکتریال نانوکامپوزیت‌های پلی‌لاکتیک اسید- پلی‌کاپرولاکتون- حاوی نانوذرات هیدروکسی آپاتیت و اکسید روی در داربست‌های قابل جذب بافت سخت

نویسندگان

1 گروه مهندسی پزشکی واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 گروه مهندسی شیمی نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

امروزه افراد بسیاری به‌دلیل صدمات وارده به بافت استخوان نیاز به استفاده و کاشت ثابت‌کننده‌های استخوانی دارند. به‌دلیل تحریک سیستم ایمنی پس از کاشت، عفونت در محل عمل بسیار رایج است که باعث ایجاد تورم و درد در ناحیه عمل می‌شود. استفاده از نانوذرات اکسید روی باعث کاهش عفونت در محل عمل و کاهش نیاز بیمار به مصرف آنتی‌بیوتیک می‌شود. هدف از انجام این پژوهش ساخت و مشخصه‌یابی اتصالات پلیمری آنتی‌باکتریال قابل جذب جهت کاربرد در بافت سخت است که بتواند نیاز بیمار به جراحی مجدد جهت خروج اتصالات دائمی را برطرف کند. برای این منظور از پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر پلی‌لاکتیک ‌اسید و پلی‌کاپرولاکتون و نانوذرات هیدروکسی‌ آپاتیت و اکسید روی و همچنین حلال کلروفرم استفاده شد. برای ساخت نمونه‌ها از روش محلولی استفاده شد و با استفاده از هم حمام فراصوت و همزن ‌مغناطیسی نمونه‌ها ساخته شد. جهت بررسی مورفولوژی داربست‌های ساخته شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی استفاده شد. ارزیابی سمیّت نمونه‌ها توسط آزمون MTT بررسی شد. رفتار نانوکامپوزیت‌ها در مقابل باکتری‌های اشریشیاکلای(ای‌کلای) و استافیلوکوکوس اورئوس(اس‌آرئوس) توسط اندازه‌گیری قطر هاله عدم رشد بررسی شد. نتایج نشان داد که میزان قطر هاله عدم رشد در زمینه پلیمری در برابر باکتری‌ ای‌کلای 0/219 ± 14/79 میلی‌متر و برای زمینه بهینه 0/341 ± 38/72 میلی‌متر بود. همچنین میزان قطر هاله عدم رشد در برابر باکتری اس‌آرئوس در زمینه پلیمری 0/32 ± 17/42 میلی‌متر و برای ماتریس بهینه 0/318 ± 39/97 میلی‌متر اندازه‌گیری شد که نشان از فعالیت آنتی‌باکتریال نانوذرات اکسید روی دارد. همچنین مشاهده شد که سلول‌های فیبروبلاست روی سطح داربست‌های اصلاح شده زنده‌مانی بیشتری نسبت به داربست پلیمری داشتند. این نتایج نشان داد که اصلاح داربست‌ها با نانوذرات باعث مهار رشد باکتری در محیط کشت می‌شود. این مطالعه نشان داد که اضافه کردن نانوذرات اکسید روی باعث بهبود خاصیت ضد باکتریایی داربست‌ها و همچنین بهبود زندهمانی سلول‌ها و کاهش سمیّت داربست می‌شود.

 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

EVALUATION OF ANTIBACTERIAL PROPERTIES OF POLYLACTIC ACID-POLYCAPROLACTONE-CONTAINING HYDROXYAPATITE AND ZINC OXIDE NANOPARTICLES IN HARD TISSUE ABSORBABLE SCAFFOLDS

نویسندگان [English]

  • F. Dehghani Firoozabadi 1
  • A. Ramazani Saadatabadi 2
  • A. Asefnejad 1
1 Department of Biomedical Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Chemical and Petroleum Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Today, many people need to use bone grafts and implants because of damage to bone tissue. Due to the stimulation of the immune system after implantation, infection at the operation site is very common, which causes swelling and pain in the operation area. The use of zinc oxide nanoparticles reduces infection at the operation site and reduces the patient's need for antibiotics. In the present study, the morphology of the scaffolds was investigated by field emission scanning electron microscope (FE-SEM). The toxicity of the samples was evaluated using MTT assay. The behavior of nanocomposites against Escherichia coli and Staphylococcus aureus was investigated by measuring the diameter of the growth inhibition zone. It was found that modification of scaffolds with nanoparticles caused a growth inhibition in bacterial culture medium. It was also observed that fibroblast cells on the surface of the modified scaffolds had longer survival than polymer scaffolds. This study showed that the addition of oxidizing nanoparticles improves the antibacterial properties of scaffolds and cell viability and reduces scaffold toxicity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • hydroxyapatite
  • zinc oxide
  • Antibacterial
  • Escherichia coli
  • Staphylococcus aureus

مراجع

1. Ramakrishna, S., “Biomedical Applications of Polymer-Composite Materials: A Review”, Composites science and technology. Vol. 61, No. 9, pp. 1189-1224, 2001.
2. Wallace, S., “Short-Term and Long-Term Effects of Orthopedic Biodegradable Implants”, Department of Orthopedic Surgery. Vol. 21, No. 2, pp. 93–122, 2011.
3. Abedalwafa, M., Wang, F., “Biodegradable Poly-Epsilon-Caprolactone (PCL) for Tissue Engineering Applications: A review”. Rev. Adv. Mater. Sci. Vol. 34, pp. 123–140, 2013.
4. Chen, J.P., Chang, Y. S., “Preparation and Characterization of Composite Nanofibers of Polycaprolactone and Nanohydroxyapatite for Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells”, Colloids Surf. B: Bio interfaces. Vol. 86, pp.169–175, 2011.
5. Baykan E., Koc, A., “Evaluation of a Biomimetic Poly (ε-Caprolactone)/β-Tricalcium Phosphate Multispiral Scaffold for Bone Tissue Engineering: in vitro and in vivo studies”, Biointerphases. Vol. 9, pp. 11-29, 2014.
6. Russias J., Saiz E., “Fabrication and Mechanical Properties of PLA/HA Composites: A Study of In Vitro Degradation”, Mater Sci Eng C Biomim Supramol Syst. Vol. 26, No. 8, pp. 1289–1295, 2006.
7. Therias, S., Larche, J., “Photochemical Behavior of Polylactide/ZnO Nanocomposite Films”, Biomacromolecules.Vol.13, pp. 3283–3291, 2012.
8. Sawai, J., “Quantitative Evaluation of Antibacterial Activities of Metallic Oxide Powders (ZnO, MgO and CaO) by Conductimetric Assay”, Microbiol Methods. Vol. 54, pp. 177–182, 2003.
9. Aleaghil1 S., Fattahy, E., “Antibacterial Activity of Zinc Oxide Nanoparticles on Staphylococcus Aureus”, International Journal of Advanced Biotechnology and Research. pp.1569-1575, 2016.
10. Pascual, Diez., “Development and Characterization of Novel Poly (Etherether Ketone)/ZnO Bionanocomposites”, J. Mater. Chem. B. Vol. 2, pp. 3065–3078, 2014.
11. Karvani, Z., Chehrazi, P., “Antibacterial Activity of ZnO Nanoparticle on Grampositive and Gram-negative Bacteria”, African Journal of Microbiology Research. Vol. 5, No. 12, pp. 1368-1373, 2011.
12. Res, M., “In Vivo Evaluation of Electrospun Polycaprolactone Membranes Incorporated with ZnO Nanoparticles as Skin Substitutes”, RSC Adv. Vol. 4, No. 93, pp. 51528 –51536, 2014.
13. Roy, S., Khanna, S., “Dermal Wound Healing is Subject to Redox Control”, Molecular Therapy. Vol. 13, No. 1, pp. 211-220, 2006.
14. Sirelkhatim, A., Mahmud, S., “Review on Zinc Oxide Nanoparticles: Antibacterial Activity and Toxicity Mechanism”, Nano-Micro Lett. Vol. 7, No. 3, pp. 219–242, 2015.
15. Mirhosseini, M., Firouzabadi FB., “Antibacterial Activity of Zinc Oxide Nanoparticle Suspensions on Food-Borne Pathogens”, International Journal of Dairy Technology. Vol. 65, pp. 1-5, 2012.
16. Arcos D., “Vallet-RegíM. Bioceramics for drug delivery”, Acta Materialia. Vol. 61, No. 3, pp. 890-911, 2013.
17. Okamoto, M., John, B., “Synthetic Biopolymer Nanocomposites for Tissue Engineering Scaffolds”, Advanced Polymeric Nanostructured Materials Engineering. pp. 468-8511,2013.
18. Mariusz, C., Jacek, W., “Zink Oxsid Nano Particles Cytotoxicity and Newly Formed PMMA-ZnO Nanocomposites Designed for Denture Bases”, Nanomaterials. Vol. 9, pp.13-18, 2019.
19. lebenz, R., “The Study of Hydroxyapatite Reinforced Polylactic Acid Composites for Orthopedic Applications”. Nanomaterials. Vol. 4, pp. 23-29, 2014.
20. Konan, S., Haddad F. ”A clinical review of bioabsorbable interference screws and their adverse effects in anterior cruciate ligament reconstruction surgery”. The Knee.16 (1): pp. 6-13, 2009.
21. Furukawa, T. “Biodegradation behavior of ultra-high-strength hydroxyapatite/poly (l-lactide) composite rods for internal fixation of bone fractures”. Biomaterials. 21(9): pp. 889-898, 2000.
22. Sirelkhatim., A., Mahmud., S., “Review on Zinc Oxide Nanoparticles: Antibacterial Activity and Toxicity Mechanism”, Nano-Micro Lett. Vol.7, pp. 219–242, 2015.
23. Zhang, C., “Nano-hydroxyapatite/poly (L-lactic acid) composite synthesized by a modified in situ precipitation: preparation and properties”. Journal of Materials Science: Materials in Medicine.21 (12): pp. 3077-3083, 2010.
24. Hunt., J., “Polymer-hydroxyapatite composite versus polymer interference screws in anterior cruciate ligament reconstruction in a large animal model”, Knee Surgery. Sports Traumatology Arthroscopy. Vol. 7, pp. 655-660, 2008.
25. Vasile., Râpă., “New PLA/ZnO :Cu/Ag bio nanocomposites for food packaging” , eXPRESS Polymer Letters , Vol.11, pp. 531–544, 2017.
26. Brown, A., “Porous magnesium/PLGA composite scaffolds for enhanced bone regeneration following tooth extraction”, Acta biomaterialia. Vol.11pp.543-553, 2014.
27. Kim, K.-J., “Magnesium ions enhance infiltration of osteoblasts in scaffolds via increasing cell motility”, Journal of Materials Science: Materials in Medicine. Vol. 28 pp. 96, 2017.
28. Bigham, A., “Multifunctional nanoporous magnetic zinc silicate-ZnFe2O4 core-shell composite for bone tissue engineering applications”, Ceramics International. Vol.10, pp. 11798-11806, 2018.
29. Wang, Y.-W., “Superior antibacterial activity of zinc oxide/graphene oxide composites originating from high zinc concentration localized around bacteria”, ACS applied materials & interfaces. Vol.6, pp. 2791-2798, 2014.
30. O’Connor, J.P., “Zinc as a therapeutic agent in bone regeneration”, Materials, Vol.10, pp. 2211, 2020.
31. Castro-Mayorga, J.L., “The impact of zinc oxide particle morphology as an antimicrobial and when incorporated in poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) films for food packaging and food contact surfaces applications”, Food and Bioproducts Processing. Vol.101, pp. 32-44, 2017.
32. Mao, D., Li, Q., “Porous Stable Poly (Lactic Acid)/Ethyl Cellulose/Hydroxyapatite Composite Scaffolds Prepared by a Combined Method for Bone Regeneration”, Carbohydr. Polym. Vol. 180, pp. 104–111, 2018.
33. Davoudi’s., Oliaei, N., Davachi, S., “Preparation and Characterization of Interface-Modified PLA/Starch/PCL Ternary Blends Using PLLA/Triclosan Antibacterial Nanoparticles for Medical Applications”, RSC Advances. Vol.6, pp. 39870-39882, 2016.
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 41، شماره 1
خرداد 1401
صفحه 1-17

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی