توصيفگر ها :
داربست نانوكامپوزيتي , پلي لاكتيك اسيد , بيوسراميك آكرمانيت حاوي روي , چاپ سه بعدي , مهندسي بافت استخوان
چكيده فارسي :
چكيده
هدف از اين مطالعه، تهيه و مشخصهيابي داربست زيستفعال و زيستتخريبپذير كامپوزيتي پلي لاكتيك اسيد/آكرمانيت حاوي روي (PLA-AKZn) است. نانو بيوسراميك آكرمانيت و آكرمانيت حاوي روي به روش سل-ژل سنتز شد. داربستهاي موردمطالعه با 0، 10، 20 و 30 درصد وزني آكرمانيت و آكرمانيت حاوي روي توسط چاپگر سهبعدي ذوبي چاپ سه بعدي شدند. از تكنيك پراش پرتو ايكس (XRD) بهمنظور تأييد حضور فازهاي مطلوب در تركيب پودر و داربستها استفاده شد. بهمنظور بررسي شكل و توزيع تخلخل در داربستها از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) استفاده شد. از آزمون فشار نيز براي ارزيابي خواص مكانيكي داربستهاي ساخته شده، استفاده شد. براي بررسي ميزان آبدوستي داربستها از دستگاه اندازهگيري زاويه تماس با آب استفاده شد. بهمنظور بررسي خواص زيستفعالي، داربستها به مدت 1 و 4 هفته در محلول شبيهسازيشده بدن (SBF)، غوطهور شدند. جوانهزني و رشد هيدروكسي آپاتيت بر سطح داربستها توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي بررسي شد. بهمنظور بررسي خواص زيستتخريبپذيري، داربستها در محلول فسفات بافر سالين (PBS)، مدت 1، 2، 3 و 4هفته غوطهور و تغييرات وزن اندازهگيري شد. عدم سميت سلولي داربستها با استفاده از آزمون MTT بررسي شد. براي برسي ميزان زنده ماني سلولها از آزمون رنگ آميزي دپي استفاده شد و با استفاده از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج پراش پرتو ايكس نشان داد كه سنتز آكرمانيت با روي موفقيتآميز بوده و پيكهاي مشخصه فاز آكرمانيت با شدت بالا مشاهده شد، در حالي كه فازهاي اوليه مواد خام حذف شدهاند. در نانوكامپوزيتهاي PLA حاوي آكرمانيت و Zn-آكرمانيت، حضور ذرات سراميكي موجب افزايش بلورينگي PLA و تثبيت ساختار كريستالي ذرات شد. تصاوير ميكروسكوپي داربستها نشاندهنده حفرات باز، منظم و پيوسته مناسب براي نفوذ سلولي است و با افزايش درصد ذرات، قطر الياف و اندازه حفرات تغيير ميكند. طيف FTIR نشان داد كه پيوندهاي Si–O، Mg–O و گروههاي هيدروكسيل سطحي در نمونهها حفظ شدهاند و افزودن Zn-آكرمانيت باعث افزايش تعاملات سطحي و اختلال جزئي در نظم زنجيرههاي پليمري شد. خواص مكانيكي داربستها با افزودن ذرات تقويتكننده افزايش يافت و نمونه حاوي 20 درصد Zn-آكرمانيت بيشترين استحكام و انعطافپذيري را نشان داد. تحليل EDS توزيع يكنواخت عناصر Ca، Mg، Si و Zn را تأييد كرد و فعاليت زيستي داربستها با رسوب هيدروكسيآپاتيت روي سطح نشان داده شد. بهطور كلي، درصد 20 درصد Zn-آكرمانيت تعادل بهينهاي بين خواص مكانيكي، كريستالينيتي و زيستفعالي داربستها ايجاد كرد. نتايج حاصل از آزمايش MTT نشان داد كه نانوكامپوزيتهاي PLA حاوي آكرمانيت و Zn-آكرمانيت سميت سلولي پاييني دارند و با گذشت زمان سلولها به خوبي روي سطح داربست رشد ميكنند. با افزايش درصد ذرات تا 20٪، زيستسازگاري داربستها بهبود يافته و بيشترين نرخ تكثير سلولي مشاهده شد، كه نشاندهنده محيط مناسب براي رشد سلولي و فعاليت بيولوژيكي مطلوب است. اين نتايج با تصاوير ميكروسكوپي همخواني دارد، چرا كه حفرات باز و پيوسته داربست، نفوذ سلولي و تبادل مواد مغذي را تسهيل ميكند. به طور كلي، آزمايش MTT تأييد ميكند كه افزودن Zn-آكرمانيت نه تنها خواص مكانيكي و كريستالينيتي داربست را بهبود ميبخشد، بلكه زيستسازگاري بالايي نيز ايجاد ميكند، و درصد 20٪ Zn-آكرمانيت بهترين عملكرد سلولي را نشان ميدهد.
چكيده انگليسي :
Abstract
The aim of this study was to fabricate and characterize a bioactive and biodegradable composite scaffold based on poly(lactic acid)/zinc-doped akermanite (PLA–AKZn). Nano-bioceramic akermanite and zinc-doped akermanite were synthesized via the sol–gel method. The scaffolds containing 0, 10, 20, and 30 wt% of akermanite and Zn-doped akermanite were fabricated using fused deposition modeling (FDM) 3D printing. X-ray diffraction (XRD) was employed to confirm the presence of the desired crystalline phases in the powders and scaffolds. The morphology and pore distribution of the scaffolds were examined by scanning electron microscopy (SEM). The compressive test was used to evaluate the mechanical properties of the fabricated scaffolds. The hydrophilicity of the scaffolds was assessed using water contact angle measurements. To investigate the bioactivity, the scaffolds were immersed in simulated body fluid (SBF) for 1 and 4 weeks, and the nucleation and growth of hydroxyapatite on the scaffold surfaces were studied using SEM. The biodegradability of the scaffolds was evaluated by immersing them in phosphate-buffered saline (PBS) for 1, 2, 3, and 4 weeks, followed by measurement of weight loss. Cytotoxicity was assessed through the MTT assay, and cell viability was further examined using DAPI staining and SEM imaging.
XRD results confirmed the successful synthesis of Zn-doped akermanite, showing strong characteristic peaks of the akermanite phase, while the raw precursor phases were eliminated. In PLA-based nanocomposites containing akermanite and Zn-akermanite, the ceramic particles increased the crystallinity of PLA and stabilized the crystalline structure. SEM images revealed interconnected and open pores suitable for cell infiltration, with fiber diameter and pore size varying with particle content. FTIR spectra confirmed the preservation of Si–O, Mg–O, and surface hydroxyl groups, and the addition of Zn-akermanite enhanced surface interactions while slightly disturbing the polymer chain order. The incorporation of reinforcing particles improved the mechanical strength, with the 20 wt% Zn-akermanite scaffold exhibiting the highest strength and flexibility. EDS analysis verified the uniform distribution of Ca, Mg, Si, and Zn elements, and hydroxyapatite deposition confirmed the bioactivity of the scaffolds. Overall, the 20 wt% Zn-akermanite composition provided an optimal balance between mechanical properties, crystallinity, and bioactivity.
MTT assay results demonstrated low cytotoxicity of PLA/akermanite and PLA/Zn-akermanite nanocomposites, with good cell proliferation over time. Increasing the Zn-akermanite content up to 20% enhanced scaffold biocompatibility and resulted in the highest cell proliferation rate, indicating a favorable environment for cell growth and biological activity. These findings were consistent with microscopic observations, as the open and interconnected pores facilitated cell penetration and nutrient exchange. In summary, the MTT assay confirmed that Zn-akermanite addition not only improved the mechanical and crystalline properties of the scaffold but also enhanced its biocompatibility, with the 20 wt% Zn-akermanite sample exhibiting the best cellular performance.