چكيده فارسي :
آسيبهاي گوش از بدو تولد يا بر اثر حوادث، ميتواند منجر به اختلالات ظاهري يا شنوايي و نياز به بازسازي گوش شود. پيشرفتها درروشهاي توليد داربستهاي زيستي، راههايي را براي بازسازي اندامهاي حسي انسان مانند بيني و گوش در شرايط آزمايشگاهي با سطوح عملكردي كافي باز كرده است. چنين پيشرفتهايي امكان هدفگيري همزمان دو چالش را در اندامهاي حسي مهندسيشده، بهويژه گوش فراهم كرده است: در قسمت اول اين مطالعه بازسازي غضروف گوش خارجي با دقت بالا و در قسمت دوم ارائه تجهيزي بر پايه تريبو الكتريك براي بازسازي عملكرد شنوايي گوش مورد بررسي قرار گرفت. در قسمت اول پس از استخراج نانوفيبريل ابريشم، هيدروژل نانو كامپوزيتي آلجينات –نانوفيبريل ابريشم با استفاده از چاپ سه بعدي به شكل گوش خارجي توليد شد. مشخصهيابيها نشان داد رفتار نازك برشي كه از ملزومات چاپسهبعدياكستروژني است، بهبود يافته است . به طوري كه در بازه مشابه نرخ تنش برشي (s/1) 01/0 تا 100 گرانروي نمونه آلجينات حاوي دو درصدوزني نانوفيبريل از103 × 2/8 به 100×8/2 پاسكال رسيد. حال آنكه تغييرات گرانروي آلجينات تنها از 101 ×4/3 به 100×83/1 پاسكال بود. علاوه بر اين، بر همكنش بين نانوفيبريل ابريشم و ماتريس آلجينات منجر به بهبود قابل توجهي در خواص مكانيكي، بيولوژيكي و همچنين پايداري ساختار در محيطشبيهسازي شده بدن شدند. به طور مثال، به ويژگيهاي مكانيكي و بيولوژيكي و نرخ تخريب كنترل شده ميتوان اشاره كرد. افزودن 2 درصد وزنينانوفيبريل استحكام فشاري (حدود 5/2 برابر)، استحكام كششي (حدود5 برابر) و مدول الاستيك (حدود3 برابر) آلجينات را بهبود بخشيد. بالاترين درصد زنده ماني سلولي (3± 168درصدكنترل) با توجه به آزمون سميت سلولي در داربست حاوي 2 درصد وزني نانوفيبريل مشاهده شد. درقسمت بعدي غشاء ليفي با تركيبهاي مختلف پلي¬وينيليدينفلورايد /پلي¬كاپرولاكتون الكتروريسي و پس از بهينهسازي ساختاري، توان تريبوالكتريكي نانوژنراتور با درصد¬هاي مختلف اندازه¬گيري شد. نتايج نشان ¬دادكه تركيب پلي¬وينيليدين فلورايد پلي¬كاپرولاكتون(PCL:PVDF) (2:1 و1:3) در غلظتهاي 15 و 17 درصد، منجر به ¬بهبود بيشينه توان نانوژنراتور از 227 به 1033 نانووات شد. سپس نانوژنراتور تريبوالكتريك با طراحي آرايه¬اي اقتباس شده از حلزوني گوش مورد مشخصه¬يابي قرارگرفت و پس از بهينهسازي تركيب پليمر¬ها در سازههاي تريبوالكتريك، صلاحيت اين سيستم در ارائه خروجي ولتاژ مدار باز در پاسخ به فايل صوتي 0 تا 20 كيلوهرتز فركانس مورد ارزيابي قرارگرفت. هركدام از آرايهها با افزايش طول از 12 تا 19 ميلي¬متر در بازهي 180تا650 هرتز حساسيت نشان دادند. در ادامه با استفاده از طيفسنجي مادون قرمز با تبديل فوريه و آزمون كالريسنجي تفاضلي حضور فاز بتا و تاثير آن بر خروجي نانوژنراتور تأييد شد. بر اين اساس هيدروژل آلجينات حاوي 2 درصد وزني نانوفيبريل ابريشم ميتواند جوهر زيستي مناسبي جهت بازسازي گوش خارجي و هم چنين غشا ليفي با الياف موازي پلي وينيليدين فلورايد پليكاپرولاكتون (PCL:PVDF:10:5) ميتواند لايه مناسبي جهت استفاده در دستگاه تريبو الكتريك طراحي شده به منظور تقليد عملكرد گوش داخلي باشد.
چكيده انگليسي :
Ear defects present at birth or acquired through trauma can lead to external defects or hearing loss,
necessitating ear reconstruction. Per WHO statistics, hearing and cosmetic ear diseases affect 6.5%
of the world's population. Advances in scaffold fabrication have enabled engineering of human
sensory organs like the nose and ear in vitro with adequate functional performance. Such progress
allows simultaneously targeting two challenges in engineered sensory organs, especially the ear.
First, precise reconstruction of the auricular cartilage, and second, providing a triboelectric-based
device to rebuild the hearing function of the inner ear. In the first part, after silk nanofibril extraction,
an alginate-silk nanofibril nanocomposite hydrogel was 3D printed into an auricular shape.
Characterizations showed shear thinning behavior required for extrusion-based 3D printing was
improved. The viscosity of 2 wt% nanofibril-laden alginate increased from 102×8.2 to 103×2.8 Pa.s
at a similar shear rate range of 0.1-100 s-1. In contrast, neat alginate viscosity only increased from
104×3.1 to 105×1.3 Pa.s. Moreover, the interaction between silk nanofibrils and the alginate matrix
significantly enhanced the mechanical, biological, and structural stability properties in a simulated
body environment. Adding 2 wt% nanofibrils improved the compressive strength (~2.5 times),
tensile strength (~5 times), and elastic modulus (~3 times) of alginate. The highest cell viability
percentage (136±3% of control) was observed in scaffolds with 2 wt% nanofibrils based on
cytotoxicity assays. In the next section, fibrous membranes with different polyvinylidene
fluoride/polycaprolactone ratios were electrospun, and after structural optimization, the triboelectric
output power of the nanogenerator with varying percentages was measured. Results showed
combining polyvinylidene fluoride and polycaprolactone (PCL:PVDF) at ratios of 2:1 and 1:3 at 15
and 17 wt% improved the peak nanogenerator power output from 227 to 1033 nW. The biomimetic
spiral array triboelectric nanogenerator was then characterized, and after optimizing the polymer
composition in the triboelectric constructs, the system's competence in yielding open circuit voltage
outputs in response to a 0-20 kHz audio file was evaluated. The arrays showed sensitivity in the 180-
650 Hz range with increasing length from 12-19 mm. Fourier transform infrared spectroscopy and
differential scanning calorimetry confirmed the presence of the beta phase and its effect on the
nanogenerator output. In summary, the 2 wt% silk nanofibril-laden alginate hydrogel could be a
suitable bioink for external ear reconstruction. The parallel-fibered PCL:PVDF (10:5) fibrous
membrane may suit as a layer in the designed triboelectric device to mimic the inner ear's hearing
function