توصيفگر ها :
مهندسي بافت استخوان , پلي كاپرولاكتون , نيتريد سيليكون , چاپ سه بعدي , بازسازي استخوان
چكيده فارسي :
مهندسي بافت علم طراحي و توليد بافتهاي جديد براي ترميم اندامهاي آسيبديده و جايگزين قسمتهاي از دست رفته به علت عوامل مختلف است. يكي از حوزههاي مهم اين علم، طراحي و ساخت داربستهاي زيستي ميباشد كه در ترميم نواحي آسيب ديده استخوان بهكار ميروند. در اين پژوهش، داربستهاي كامپوزيتي مبتني بر پليكاپرولاكتون با مقادير مختلف نانوذرات سيليكون نيتريد (0، 1، 3، 5 و 7 درصد وزني) با استفاده از روش پرينت سهبعدي ذوبي توليد شدند. بهمنظور بررسي ويژگيهاي ريزساختاري، عنصري، فازي و شيميايي اين داربستها، از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، طيفسنجي پراش انرژي پرتو ايكس (EDX)، پراش پرتو ايكس (XRD) و طيفسنجي مادون قرمز با تبديل فوريه (FTIR) استفاده شد. نتايج نشان داد كه با افزايش درصد سيليكون نيتريد در داربستهاي كامپوزيتي، زبري سطح افزايش يافت و باعث بهبود زاويه تماس قطره آب (ترشوندگي) شد؛ بهطوريكه از 92 درجه در پليكاپرولاكتون خالص به 61 درجه در نمونه حاوي 7 درصد وزني سيليكون نيتريد رسيد. همچنين، آزمايش خواص مكانيكي مشخص كرد كه افزودن 5 درصد وزني سيليكون نيتريد موجب افزايش استحكام فشاري (از 0.12±6.5 به 0.14±7.7)، مدول الاستيك (از 1.3±12.8 به 2.63±22.71) و چقرمگي (از 0.02±0.195 به0.04±0.516) شد و نمونه حاوي 5 درصد وزني سيليكون نيتريد بهعنوان نمونه بهينه شناخته شد. تخريبپذيري داربستها در محلول بافر فسفات سالين به مدت 28 روز بررسي شد و نتايج نشان داد كه با افزايش درصد سيليكون نيتريد، نرخ تخريبپذيري افزايش مييابد. علاوه بر اين، تشكيل لايه آپاتيتي در محلول شبيهساز بدن در طول 21 روز غوطهوري تأييد شد. نتايج نشان داد كه رسوبات آپاتيتي با افزايش درصد سيليكون نيتريد در كامپوزيت، بهصورت متراكمتري روي سطح داربست تشكيل ميشوند. آزمون سميت سلولي نيز نشان داد كه داربستهاي پرينتشده غيرسمي بوده و چسبندگي سلولهاي MG63 بهويژه در نمونه حاوي 5 درصد وزني سيليكون نيتريد بهطور چشمگيري بهبود يافته است. از سوي ديگر در نمونه حاوي 5 درصد وزني سيليكوننيتريد خاصيت آنتيباكتريال نسبت به پليكاپرولاكتون خالص، افزايش يافت. اين يافتهها نشاندهنده برهمكنش مثبت اين داربستها با سلولهاي استخواني و پتانسيل بالاي آنها براي كاربرد در ترميم بافت استخوان است.
چكيده انگليسي :
Bone is a highly vascularised dynamic tissue, and is required to support the body mechanically and structurally. Reconstruction of critical-sized bone defects is a significant clinical problem, which generally involves bone graft or replacement by artificial bone materials. Given this background, bone tissue engineering has risen as the field which deals with the in situ implantation of bioactive scaffolds for the treatment of bone deficiencies and has become an area of increasing attention. These scaffolds with controlled architectures and in high biocompatibility can be prepared by 3D printing technique and also utilizing different biomaterials and advanced technology together in recent years. Among these techniques, 3D printing has been widely accepted as a powerful tool for scaffold production, as it offers an unprecedented capacity for precision fabrication, high reproducibility, and structural manipulation. With such capability, we can directly induce structures, with 3D complexity, in the material, and it is an increasingly used technique particularly in medical applications and bone tissue engineering. In the present work, PCL-based composite scaffolds ranging from 0 to 7 wt% Si3N4 particles were prepared using fused deposition modeling (FDM) technique. The microstructure, elemental composition, phase composition, as well as chemical properties of the scaffolds were characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), and Fourrier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The findings showed that the water contact angle decreased as the silicon nitride content increased, from 92° for pure PCL down to 61° for scaffolds that contained 7 wt% silicon nitride. This decrease indicates a stronger hydrophilicity and more favorable surface bioactivity of the scaffolds. The mechanical test revealed that the scaffold with 5 wt% Si3N4 was the best composition of the composites. The degradation of the scaffold material was investigated in PBS for 28 days, which showed a higher amount of Si3N4 can lead to a faster degradation rate. In addition, the formation of apatite layer in simulated body fluid (SBF) was verified after immersion 21 days. The deposit density of apatite was found to increase with increasing silicon nitride content within the composite scaffolds. Alamar-Blue assay showed that the printed scaffolds were nontoxic and allowed the adhesion of MG63 cells increased dramatically, especially in the scaffold with 5 wt% of silicon nitride. Additionally, this scaffold also exhibited improved antibacterial properties compared to pure PCL. These findings highlight the favorable interaction of the composite scaffolds with bone cells and underscore their strong potential for application in bone tissue regeneration.