توصيفگر ها :
مهندسي بافت , هيدروژل قابل چاپ , آلژينات , ژلما , نانو ذرات SiO2 , شبكه‌هاي پليمري در هم نفوذ كرده ( IPNs )
چكيده فارسي :
پيوند اعضا يا جراحي بازسازي روشي درماني براي بيماراني است كه عضو يا اندامي از بدن آن ها به شدت آسيب ديده است. با توجه به محدوديت هاي پيوند عضو مثل تعداد كم و در دسترس نبودن اهدا كنندگان، عدم تطابق گروه خوني و ايجاد ايمني زايي بعد از پيوند، امروزه روش‌هاي ديگري مثل مهندسي بافت و پزشكي بازساختي به عنوان يك زمينه پژوهشي در حال توسعه مورد توجه پژوهشگران حوزه سلامت قرار گرفته است كه هدف آن‌ها ساخت جايگزين‌هاي احيا كننده براي بافت ازدست رفته يا آسيب ديده است. يكي از مراحل مهم و كليدي در فرايند مهندسي بافت ساخت داربست است. داربست به عنوان يك الگوي متخلخل و سه بعدي از زيست موادي مثل پليمرهاي طبيعي و سنتزي كه زيست سازگار و زيست تخريب شونده هستند، ساخته مي‌شوند. همچنين داربست ها بايستي براي بازسازي بافت ماتريكس خارج سلولي را شبيه‌سازي كنند. چاپ زيستي سه بعدي روشي نوين براي طراحي و ساخت سريع داربست ها با هندسه هاي پيچيده، دقت و وضوح بالا و تطبيق پذيري فوق العاده با بافت هدف است. هدف از پژوهش حاضر، ساخت هيدروژل تزريق‌پذير با خواص مكانيكي، رئولوژيكي و ساختاري مناسب با قابليت پشتيباني زنده ماني، چسبندگي و تكثير سلولي براي استفاده دركاربرد هاي مهندسي بافت است. ژلاتين متاكريلويل( GelMA ) و آلژينات از متداول‌ترين زيست مواد براي استفاده به عنوان جوهر در چاپ زيستي سه بعدي هستند. آلژينات پليمري طبيعي است كه از جلبك قهوه اي استخراج مي‌شود و داراي قابليت ژل شدن سريع، زيست سازگاري بالا و خاصيت نازك برشي است اما معايبي نظير نرخ تخريب كند ، خواص مكانيكي و چسپندگي سلولي ضعيفي دارد. ژلما پليمري سنتزي و حاصل اصلاح زنجيره هاي ژلاتين توسط متاكريليك انيدريد است كه قابليت ايجاد اتصالات عرضي و ژل شدن در معرض تابش نور را دارد و داراي چسبندگي سلولي مناسب است ولي خواص مكانيكي مطلوبي ندارد. از متيل سلولز به عنوان يك عامل پشتيبان براي افزايش ويسكوزيته جوهر با غلظت پايين جهت استفاده در چاپ زيستي مبتني بر اكستروژن استفاده مي‌شود. براي غلبه بر محدويت هاي گفته شده و ساخت يك هيدروژل چاپ پذير، در اين پژوهش جوهر زيستي چاپ پذير از تركيب GelMA و آلژينات به صورت زنجيره‌هاي در هم نفوذ كرده ( IPN ) و تقويت شده با نانو ذرات سيليكا ( SiO2 ) طراحي شد. نانوذرات SiO2 داراي انرژي سطح بسيار بالايي هستند و تمايل به تشكيل پيوندهاي هيدروژني با گروه هاي COO- در پليمرهاي طبيعي از جمله ژلاتين و آلژينات سديم دارند، زيرا داراي گروه هاي آزاد OH در سطح خود هستند. در اين پژوهش تاثير افزودن درصد هاي مختلف ( 0، 5/0، 1 و 2 درصد وزني ) نانو ذرات SiO2 بر خواص هيدروژل هاي ژلما-آلژينات بررسي شد. افزودن نانو ذرات SiO2 باعث افزايش استحكام و مدول فشاري هيدروژل هاي ژلما-آلژينات تا حدود 2 برابر شد و نرخ تخريب هيدروژل ها پس از 14 روز به علت كاهش قطر تخلخل ها در اثر اضافه كردن نانو ذرات سيليكا كاهش يافت. هيدروژل‌هاي حاوي نانو ذرات سيليكا داراي خاصيت نازك برشي هستند و زنده ماني سلول هاي فيبروبلاست در هيدروژل نانوكامپوزيتي ژلما-آلژينات حاوي 1% وزني نانو سيليكا به مدت 3 روز حدودا 98% گزارش شد. همچنين چسبندگي خوب سلولي سلول‌هاي فيبروبلاست در 1 و 7 روز پس از كشت سلولي مشاهده شد. و در نهايت به منظور بررسي چاپ پذيري، تمامي نمونه‌ها توسط چاپگر زيستي سه بعدي چاپ شد و هيدروژل نانوكامپوزيتي ژلما-آلژينات حاوي1% نانو بهترين صحت چاپ را داشت. نتايج بدست آمده نشان داد كه هيدروژل نانوكامپوزيتي ژلما/ آلژينات/ نانو SiO2 مي‌تواندگزينه مناسبي براي استفاده به عنوان جوهر زيستي در فناوري چاپ زيستي سه بعدي جهت كاربرد در مهندسي بافت غضروف و استخوان باشد.
چكيده انگليسي :
Organ transplantation or reconstructive surgery is a treatment method for patients whose organs or organs have been severely damaged. Due to the limitations of organ transplantation, such as the small number and unavailability of donors, blood group incompatibility, and immunogenicity after transplantation, today other methods such as tissue engineering and regenerative medicine as a developing research field are of interest to researchers in the field. Health has been placed where they aim to make regenerative substitutes for lost or damaged tissue. One of the important and key steps in the tissue engineering process is scaffolding. Scaffolds are made as a porous and three-dimensional pattern of biomaterials such as natural and synthetic polymers that are biocompatible and biodegradable. Also, the scaffolds should simulate the extracellular matrix for tissue regeneration. 3D bioprinting is a new method for the rapid design and construction of scaffolds with complex geometries, high accuracy and resolution, and excellent adaptability to the target tissue. The aim of the current research is to make an injectable hydrogel with suitable mechanical, rheological and structural properties with the ability It supports cell viability, adhesion and proliferation for use in tissue engineering applications. Methacryloyl gelatin (GelMA) and alginate are the most common biomaterials to be used as inks in 3D bioprinting. Alginate is a natural polymer that is extracted from brown algae and has fast gelling ability, high biocompatibility and thin shear property, but it has disadvantages such as slow degradation rate, low mechanical properties and weak cell adhesion. GelMA is a synthetic polymer and the result of the modification of gelatin chains by methacrylic anhydride, which has the ability to create cross-links when exposed to light and has good cell adhesion, but does not have high mechanical properties. Methyl cellulose is used as a supporting agent to increase the viscosity of the ink. It is used in low concentration for use in extrusion-based bioprinting. In order to overcome the aforementioned limitations and make a printable hydrogel, in this research, an ink was made from the combination of methacryloyl gelatin and alginate in the form of interpenetrated chains (IPN) and reinforced with silicon dioxide SiO2 (silica) nanoparticles. SiO2 nanoparticles have very high surface energy and tend to form hydrogen bonds with COO- groups in biopolymers such as gelatin and sodium alginate because they have free OH groups on their surface. In this research, the effect of adding different percentages (0, 0.5, 1 and 2 wt%) of SiO2 nanoparticles on the properties of gelma-alginate hydrogels was investigated. The addition of SiO2 nanoparticles increased the strength and compressive modulus of gelma-alginate hydrogels by about 2 times, and the degradation rate of hydrogels decreased after 14 days due to the decrease in the diameter of the pores due to the addition of silica nanoparticles. Hydrogels containing silica nanoparticles have thin shear properties, and the viability of fibroblast cells in gelma-alginate nanocomposite hydrogel containing 1% by weight of nanosilica for 3 days was about 98%. Also, good cell adhesion of fibroblast cells was observed at 1 and 7 days after implantation. And finally, in order to check the printability, all the samples were printed by a 3D biological printer, and gelma-alginate nanocomposite hydrogel containing 1% nano had the best printing accuracy. The obtained results showed that gelma/alginate/nano SiO2 nanocomposite hydrogel can be a suitable option for use as a bio-ink in 3D bio-printing technology for use in cartilage and bone tissue engineering.
