توصيفگر ها :
پلي (هيدروكس يبوتيرات) , ليگنين , نانوالياف سلولز , داربست الكتروريسي شده , مدلسازي مكانيكي , مهندسي بافت استخوان
چكيده فارسي :
داربست هاي نانوليفي الكتروريسي شده قابليت تشكيل ساختارهايي مشابه با ساختار ماتريس خارج سلولي را فراهم مي كنند. انتخاب مواد و مطالعه عميق خواص مكانيكي اين ساختارها، جهت دستيابي به بينش بهتر در مقياس هاي بزرگتر از اهميت بسيار بالايي در حوزه مهندسي بافت برخوردار است. از جمله چالش هاي مهم در حوزه مهندسي بافت، عدم چسبندگي مناسب سلول به بستر نانوليفي، آبگريزي و همچنين استحكام پايين بستر پليمري است. در اين راستا تلاش هاي متعددي توسط پژوهشگران صورت گرفته است تا با غلبه بر چالش هاي مطرح شده، به ساختاري مناسب و متناسب با بافت هدف دست يابند. در اين پژوهش، ابتدا حلاليت پلي(هيدروكسي بوتيرات) در حلال‌هاي مختلف جهت كاهش حدس و خطا و دستيابي به حلالي مناسب به طور تئوري مورد مطالعه قرار گرفت. سپس به منظور غلبه بر برخي از محدوديت هاي پلي(هيدروكسي بوتيرات)، داربست هاي الكتروريسي شده ي اين پليمر، حاوي مقادير مختلفي از ليگنين (3، 6 و 9 درصد وزني) و نانوالياف سلولز (1، 3 و 5 درصد وزني) در تري فلوئورو استيك اسيد تهيه شدند. با توجه به نقش ساختار داربست بر خواص نهايي، از الگوريتم تاگوچي و مشاهدات ميكروسكوپي نيز جهت بهينه سازي شرايط الكتروريسي بر اساس مورفولوژي نهايي نانوالياف استفاده شد. در فاز اول، مدول اين نمونه‌ها با اعمال نانو سختي سنجي بر روي يك نانوالياف، از دو ديدگاه مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. در ديدگاه اول، ساختار هندسي داربست هاي الكتروريسي شده مشابه با يك فوم سلول باز در نظر گرفته شد. در ديدگاه دوم، داربست ها به عنوان يك مجموعه از نانوكامپوزيت هاي تقويت شده با الياف كوتاه در نظر گرفته شدند. نتايج تجربي مؤيد اين امر بود كه خروجي‌هاي مدل تتراكايدكاهدرون، پيش‌بيني‌هاي قابل قبولي را در بين مدل هاي فوم با دقت تقريبي 78/99 تا 96/15 درصد ارائه كرده است. علاوه بر اين، مدل هالپين تساي نيز پيش‌بيني‌هاي قابل قبولي را در بين مدل‌هاي نانوكامپوزيتي با 93/36 تا 99/77 درصد انطباق نشان داده است. سرانجام، نمونه پلي(هيدروكسي بوتيرات)/ليگنين (6% وزني)، پلي(هيدروكسي بوتيرات)/نانوالياف سلولز (3% وزني) و نمونه سه جزئي متشكل از پلي(هيدروكسي بوتيرات)/ليگنين(6%)/نانوالياف سلولز(3%) به عنوان نمونه هاي بهينه بر اساس خواص مكانيكي انتخاب شدند. در فاز بعد، كاربرد اين داربستها در زمينه مهندسي بافت استحوان توسط كشت سلول هاي سرطاني استئوبلاست انساني (MG63) مورد ارزيابي قرار گرفت. براي نمونه هاي سه جزئي در قياس با نمونه پلي(هيدروكسي بوتيرات) خالص علاوه بر تغيير ساختار نواري الياف و افزايش قابل توجه زبري سطح (از 326 به 389 نانومتر)، كاهش زاويه تماس (از حدود 120، به 62/21 درجه)، كاهش جزئي در بلورينگي (از 46 به 43 درصد) و سايز بلور (از حدود 24 به 16 نانومتر)، نرخ تخريب مناسب (30% كاهش وزن در دو ماه)، و نسبت كلسيم به فسفر بيش از 1/4 به معناي خواص معدني سازيِ ارجح، و بيش از سه برابر افزايش در ضريب چقرمگي مشاهده شد. در نهايت، نه تنها خروجي آزمون بقاي سلولي (ارتقا از حدود 60 به 100 درصد)، بلكه رنگ‌آميزي سلول و نتايج ميكروسكوپ الكتروني نيز رفتار سلولي برتري را در حضور ليگنين و نانوالياف سلولز تأييدكردند. دستيابي هاي فوق همراه با نتايج قابل قبول آلكالين فسفاتاز و آليزارين قرمز صحت كارايي بهترِ تركيب اين زيست مواد را در حوزه مهندسي بافت اسكلتي به خصوص استخوان اسفنجي تأييد كردند.
چكيده انگليسي :
The highly hierarchical structure of the extracellular-matrix can be mimicked by the nanoscale structure of electrospun scaffolds. Material selection and conducting in-depth studies on the nanomechanical properties of these scaffolds are crucial for gaining a comprehensive understanding of larger scales. The AFM-nanoindentation is an authoritative method for investigating nanoscale local deformation. In this research, the solubility of polyhydroxybutyrate (PHB) in different solvents was initially studied to minimize trial and error and find a suitable solvent. Electrospun scaffolds of PHB were then prepared in trifluoroacetic acid with varying amounts of lignin (3, 6, and 9 wt.%) and cellulose nanofibers or CNFs (1, 3, and 5 wt.%). Taguchi's algorithm and SEM observations were utilized to optimize the electrospinning conditions based on the morphology of the nanofibers. Afterwards, the modulus was studied from two different perspectives by applying nanoindentation testing on a single nanofiber. The experimental results confirmed that the outputs of the tetrakaidecahedron model have provided acceptable predictions among the open-cell foam models with an approximate accuracy of 78.99 to 96.15%. Additionally, the Halpin-Tsai model exhibited acceptable predictions among nanocomposite models with 93.36 to 99.77% conformity. Based on mechanical properties, the PHB/lignin (6 wt.%), PHB/CNF (3 wt.%), and a three-component sample consisting of PHB/lignin (6 wt.%)/CNF(3 wt.%) were selected as optimal samples. In the next phase, the application of these scaffolds was evaluated for bone tissue engineering by culturing human osteoblast cells (MG63). For the three-component samples, a slight decrease in crystallinity (from 46% to 43%), a significant increase in surface roughness (from 326 to 389 nm), better contact angle (from ≃120 to 62.21°), appropriate degradation rate (30% weight loss in two months), and a ratio of Ca/P greater than 1.4 was observed, indicating better mineralization properties. Additionaly, the cell viability output increased from ≃60% to 100%, simultaneously DAPI and SEM results confirmed superior cell behavior in the presence of lignin and CNFs. The acceptable results of ALP and Alizarin-red further confirmed the efficiency of these biomaterials in the field of bone tissue engineering.
