نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته در مهندسی

در این تحقیق، داربست نانولیفی کامپوزیتی پلی هیدروکسی بوتیرات کوهیدروکسی والرات (PHBV) حاوی نانوذرات کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت/بریدیجیت (HABR) به روش الکتروریسی تولید شد. مورفولوژی نانوالیاف تولید شده و نحوه توزیع نانوذرات در نانوالیاف به‌ترتیب توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری بررسی شدند. ارزیابی خواص مکانیکی نشان داد که یک حد آستانه‌ای برای غلظت نانوذرات وجود دارد که در آن، حضور نانوذرات باعث بهبود خواص مکانیکی داربست نانولیفی شد. داربست کامپوزیتی PHBV خاصیت ترشوندگی بهتری در مقایسه با PHBV خالص از خود نشان داد. در آزمون کشت سلول برون‌تنی، سلول‌های استئوبلاست (hFob) بر داربست‌های نانولیفی کشت داده شدند.ارزیابی تکثیر سلولی به‌روش MTS نشان داد که بعد از 10 و 15 روز، سلول‌ها بر داربست کامپوزیتی PHBV/HABR به‌طور معنی‌داری بیشتر از داربست خالص PHBV رشد داشته‌اند. به‌علاوه نتایج آنالیز ارزیابی میکروسکوپی الکترونی روبشی- طیف‌سنجی تفریق انرژی و رنگ آمیزی سلولی نشان دادند که سلول‌های کشت داده شده برروی داربست کامپوزیتی PHBV بیشتر از داربست PHBV خالص و نمونه کنترل، رسوبات مینراله تشکیل دادند. نتایج این مطالعه نشان داد که نانوالیاف کامپوزیتی PHBV/HABR با خواص مکانیکی، ترشوندگی و رفتار سلولی بهبود یافته، پتانسیل خوبی در کاربردهای بازسازی بافت استخوان دارند.
 

هدف از این تحقیق، مدل‌سازی و تحلیل مکانیکی صفحه تثبیت استخوانی کامپوزیت لایه‌ای تخریب‌پذیر فسفات کلسیم دوفازی/ ابریشم (BCP/Silk) (چهار لایه فسفات کلسیم دوفازی و سه لایه ابریشم به‌صورت یک در میان) برای درمان شکستگی استخوان تیبیا است. جهت مدل‌سازی و تحلیل مکانیکی از نرم‌افزار آباکوس استفاده شد. ابتدا استخوان تیبیا بر اساس اندازه‌های آنتروپومتری یک انسان متوسط به‌صورت یک استوانه دولایه درنظر گرفته شد که بخش داخلی آن را مغز استخوان و بخش بیرونی آن را استخوان قشری تشکیل می‌دهد. سپس صفحه تثبیت استخوان و پیچ‌ها بر اساس استاندارد‌های موجود و همچنین با توجه به خواص مکانیکی کامپوزیت جدید مورد نظر این پژوهش، در نرم‌افزار آباکوس طراحی شد. مش صفحه تثبیت استخوان از نوع هرمی و برای بقیه تجهیزات از نوع آجری انتخاب شدند. صفحه تثبیت روی استخوان قرار گرفت و با مقید کردن استخوان در راستای محور Y، بار استاتیکی حدود 400 نیوتن اعمال شد. نتایج نشان می‌دهد که صفحه تثبیت استخوان کامپوزیتی علاوه‌ بر زیست‌سازگار و تخریب‌پذیر بودن دارای مدول الاستیک حدود 21 گیگاپاسکال بوده که نزدیک به مدول الاستیک استخوان است.

با پیشرفت در زمینه توسعه مواد زیستی جایگزین بافت‌های بدن، توجه محققین به بهبود ویژگی‌های کاشتنی‌ها در زمینه پزشکی و کلینیکی افزایش یافته است. در این راستا، با وجود ویژگی‌‌های قابل قبول فولاد زنگ‌‌نزن، کاربرد این ماده به‌عنوان کاشتنی به‌دلیل رفتار خوردگی به نسبت ضعیف، محدود شده است. هدف از این پژوهش، ساخت پوشش نانوکامپوزیتی آبگریز پلی‌‌دی‌‌متیل- سیلوکسان (PDMS)- اکسید سیلیسیم (SiO₂)-اکسید مس(CuO) بر زیرلایه فولاد زنگ‌‌نزن گرید پزشکی(L316) به‌منظور بهبود رفتار خوردگی و زیست‌سازگاری آن است. در این راستا، با استفاده از روش پوشش‌‌دهی غوطه‌‌وری، سطوح ورق‌‌های فولادی با استفاده از نانوذرات اکسید سیلیسیم (20 درصد وزنی پلیمر دی‌متیل سیلوکسان)، مقادیر مختلف از نانوذرات اکسید مس (0، 5/0، 1 و 2 درصد وزنی) و پلیمر زیست‌‌سازگار پلی‌‌دی‌‌متیل‌‌سیلوکسان پوشش داده شد. آزمون‌‌های پراش پرتو ایکس و میکروسکوپی الکترونی روبشی به‌منظور ارزیابی پوشش‌‌ها و پودرهای سنتز شده استفاده شد. همچنین، تغییرات زبری سطح و زاویه ترشوندگی پوشش‌‌های حاوی مقادیر مختلفی از نانوذرات اکسید مس و در پایان، تأثیر مقادیر مختلفی از اکسید مس بر رفتار خوردگی پوشش‌‌های نانوکامپوزیتی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج پراش پرتو ایکس حضور فاز کریستالی نانوذرات اکسید مس را بر زیرلایه اثبات کرد. به‌دلیل طبیعت آمورف نانوذرات سیلیکا و نیمه‌کریستالی پلیمر پلی‌‌دی‌‌متیل- سیلوکسان، هیچ قله‌‌ای مبنی بر تأیید حضور این اجزا مشاهده نشد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی حضور یک لایه پوشش با مورفولوژی نیلوفر آبی را در نمونه‌‌های حاوی یک و دو درصد اکسید مس روی سطح نشان می‌‌دهد. همچنین، نتایج ارزیابی زاویه ترشوندگی نشان داد که سطح بدون حضور نانوذرات اکسید مس دارای زاویه ترشوندگی 5±81 درجه است و با افزودن نانوذرات اکسید مس تا یک درصد وزنی به بیش از 5±146 درجه رسید. همچنین نتایج آزمون خوردگی در محلول شبیه‌سازی شده بدن نشان داد که نمونه حاوی دو درصد اکسید مس با چگالی جریان خوردگی ^7-E1/2 آمپر بر سانتی‌‌متر‌‌ مربع و پتانسیل خوردگی 22/0 ولت دارای بیشترین مقاومت به خوردگی در بین نمونه‌‌ها است.

چکیده- در داربست‌های گرادیانی درصد، اندازه تخلخل و یا ترکیب شیمیایی مواد موجود در داربست به‌صورت گرادیانی در آن تغییر می‌کنند. اخیراً از روش‌های مختلفی جهت ایجاد گرادیان در داربست استفاده شده است. اما این روش‌ها محدودیت‌هایی از جمله گران بودن فرایند ساخت، در دسترس نبودن تجهیزات، پیچیدگی کنترل شرایط ایجاد گرادیان، پیچیدگی کنترل شکل، اندازه، درصد و راه ‌در‌هم بودن تخلخل‌ها را دارا هستند. هدف از انجام این تحقیق ابداع روشی جدید، کارامد، ساده و با صرف کمترین هزینه به‌منظور ایجاد گرادیان در تخلخل داربست‌ بوده است. دو داربست همگن (نوع 1 و نوع 2) و دو داربست گرادیانی (نوع 1 و نوع 2) ساخته و با هم مقایسه شدند. گرادیان در راستای شعاع داربست، با ادغام دو روش لایه‌به‌لایه و روش شستشوی ذرات تخلخل‌ساز ایجاد شد. از پلیمر پلی‌کاپرولاکتون به‌عنوان ماده اصلی و از میکروذرات پارافین در دو بازه اندازه ذرات 250 تا 420 میکرومتر و 420 تا 600 میکرومتر به‌عنوان تخلخل‌ساز استفاده شد. درصد تخلخل داربست همگن نوع یک، همگن نوع دو، گرادیان نوع یک و گرادیان نوع دو، به‌ترتیب 25/1 ± 5/77، 5/3± 3/61، 5/0 ± 74 و 4 ± 8/79 درصد به‌دست آمد؛ گفتنی است که درصد تخلخل مورد نیاز برای رشد و زنده‌مانی سلول بالای 70 درصد است. که درصد تخلخل داربست‌های گرادیانی جهت استفاده در مهندسی بافت استخوان مناسب است. همچنین میانگین اندازه تخلخل برای دو نوع داربست همگن یک و دو به‌ترتیب 23/11 ± 48/278 و 62/14 ± 79/417 میکرومتر به‌دست آمد که این اعداد نیز برای مهندسی بافت استخوان مطلوب هستند. استحکام فشاری در 80 درصد کرنش و مدول فشاری داربست‌ها با ترتیب ذکر شده در بالا 16/0 ± 16/0 و 11/0 ± 25/0 مگاپاسکال، 26/0 ± 20/0 و 34/0 ± 53/0 مگاپاسکال، 19/0 ± 34/0 و 43/0 ± 33/0 مگاپاسکال و 12/0 ± 28/0 و 51/0 ± 17/0 مگاپاسکال اندازه‌گیری شد. پایین بودن ارقام استحکام نشان می‌دهد که استفاده از پلی‌کاپرولاکتون به‌تنهایی مناسب نبوده است. همچنین مقایسه این نتایج نشان می‌دهد که گرادیانی کردن تخلخل‌ها تأثیر چندانی بر خواص مکانیکی داربست‌ها نداشته است. گرادیان در تخلخل، پیوستگی کامل بین دو لایه داربست و عدم وجود فصل مشترک بین آنها در تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که روش استفاده شده در ساخت داربست گرادیانی مناسب بوده است.

در سال‌های اخیر گرافن به‌دلیل خواص منحصر به‌فردی چون هدایت الکتریکی بسیار بالا، استحکام مکانیکی بالا، ساختار متخلخل برای تبادل مواد مغذی و مواد زائد، زیست‌سازگاری، امکان بارگذاری دارو، متغیرهای رشد و ... در مهندسی بافت‌های مختلف از جمله در ساخت کانال هدایت عصبی مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، ساخت کانال هدایت عصبی بر پایه گرافن سه‌بعدی به‌روش رسوب شیمیایی بخار با گرمایش القایی (ICVD) دنبال شد. گرافن در دمای 1080 درجه سانتی‌گراد روی فوم نیکلی سنتز و نمونه‌ها با استفاده از آنالیز رامان و میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخضه‌یابی شدند. آنالیز رامان نمونه‌ها نشان داد که گرافن سنتز شده به‌صورت گرافن چندلایه‌ توربواستراتیک با عیب‌های بسیار کم است. به‌منظور حذف نیکل از سایکلودودکان به‌عنوان لایه محافظ استفاده شد. بعد از حذف نیکل، گرافن سه‌بعدی به‌دست آمده با استفاده از روش قطره‌ای و غوطه‌وری در محلول پلیمری پلی‌کاپرولاکتون پوشش داده و کانال هدایت عصبی به‌صورت کامپوزیتی از گرافن سه‌بعدی در هسته و پوشش پلیمری پلی‌کاپرولاکتون ساخته شد. مقایسه خواص الکترومکانیکی کانال هدایت کامپوزیتی با کانال پلیمری پلی‌کاپرولاکتون نشان داد که ابتدا حضور گرافن سه‌بعدی باعث افزایش هدایت الکتریکی کانال هدایت کامپوزیتی شده و انتظار می‌رود که ‌این امر بهبود فرایند ترمیم عصب و رشد آکسون‌ها را به‌دنبال داشته باشد. سپس استحکام مکانیکی و انعطاف‌پذیری آن در مقایسه با کانال هدایت پلی‌کاپرولاکتون افزایش یافته است.

دگزامتازون به‌عنوان داروی ضدالتهاب سال‌هاست به شکل‌های مختلف مصرف می‌شود و هنوز یکی از امن‌ترین داروهای گلوکوکورتیکوئیدی برای درمان بیماری‌های مختلف است. به‌سبب وجود طیف گسترده از اثرات جانبی، پیدا کردن یک سامانه رهایشی مناسب برای افزایش اثربخشی و کاهش میزان دوز مصرفی این دارو ضروری است. الکتروریسی یکی از روش‌های ساخت الیاف پلیمری است که به‌دلیل توانایی بارگیری داروها و مواد بیولوژیکی مختلف و کنترل رهایش آنها به‌طور گسترده برای ساخت حامل‌های دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این پژوهش الیاف الکتروریسی شده پلی‌لاکتیک ‌اسید فاقد و حاوی دگزامتازون تهیه شد. برای بررسی تأثیر غلظت پلیمر بر مورفولوژی، خواص مکانیکی الیاف و نمودار رهایش دارو، سه غلظت 10، 14 و 18 درصد وزنی/حجمی پلیمر تهیه شد. به نمونه‌ها پنج درصد وزنی/حجمی دگزامتازون اضافه شد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی برای به‌دست آوردن میانگین قطر الیاف و میانگین مساحت حفره‌ها در هر نمونه بررسی شد. در نمونه‌های فاقد دارو میانگین قطر الیاف حاوی 10 تا 18 درصد وزنی، 63/21 درصد افزایش یافت. در نمونه‌های حاوی دارو میانگین قطر الیاف از نمونه 10 تا 18 درصد، 51/19 درصد افزایش یافت. خواص مکانیکی پلیمر مورد بررسی قرار گرفت. مدول الاستیک از نمونه 10 درصد تا نمونه 18 درصد، 81/34 درصد افزایش یافت. افزایش 68/021 درصد استحکام نهایی از نمونه 18 درصد نسبت به نمونه 10 درصد دیده شد. رهایش دارو برای نمونه‌های الکتروریسی تا هفت روز انجام شد. در نمونه‌های 10 و 14 درصد رهایش خطی مشاهده شد. مدل رهایش دارو از نمونه‌ها درجه صفر بود که با توجه به اینکه این مدل رهایش دارو در کاربردهای مختلف دگزامتازون حائز اهمیت است، سامانه‌های طراحی شده می‌توانند برای کاربردهای مختلف دگزامتازون مفید باشند. بیشترین سرعت رهایش دارو مربوط به نمونه 14 درصد بود (0/044 بر ساعت).

ویژگی‌‌های مکانیکی و ساختاری داربست‌‌های مهندسی بافت یکی از عوامل مهم در بازسازی و ترمیم بافت محسوب می‌‌شوند. از این‌رو، در پژوهش حاضر، به بررسی تأثیر میزان نانوذرات اکسید روی و مورفولوژی داربست بر خواص مکانیکی داربست‌های نانوکامپوزیتی پلی‌کاپرولاکتون/ نانوذرات اکسید روی پرداخته شد. در این پژوهش، داربست‌های نانوکامپوزیتی پلی‌کاپرولاکتون/ نانوذرات اکسید روی به روش ریخته‌گری حلال/ شستشوی ذرات نمک و با سه غلظت متفاوت 0، 5 و 15 درصد وزنی نانوذرات اکسید روی تهیه شدند. سپس، از روش پراش پرتو ایکس (XRD) به‌منظور تأیید فازهای مطلوب در ترکیب داربست استفاده شد. استحکام فشاری داربست‌‌های ساخته شده نیز به‌عنوان شاخصی از خواص مکانیکی، ارزیابی شد. همچنین، به‌منظور بررسی مورفولوژی و تخلخل داربست‌‌ها و توزیع نانوذرات اکسید روی در داربست از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده شد. نتایج به‌دست آمده نشان داد که با افزودن نانوذرات اکسید روی به‌عنوان تقویت‌کننده، استحکام فشاری داربست‌‌ها افزایش می‌‌یابد. از سوی دیگر، با افزایش نانوذرات اکسید روی به بیش از 5 درصد وزنی، استحکام فشاری کاهش یافت. در واقع، داربست نانوکامپوزیتی پلی‌کاپرولاکتون/ اکسید روی با 5 درصد وزنی اکسید روی بیشترین میزان استحکام و مدول فشاری و یکپارچگی ساختار را داشت. 

امروزه افراد بسیاری به‌دلیل صدمات وارده به بافت استخوان نیاز به استفاده و کاشت ثابت‌کننده‌های استخوانی دارند. به‌دلیل تحریک سیستم ایمنی پس از کاشت، عفونت در محل عمل بسیار رایج است که باعث ایجاد تورم و درد در ناحیه عمل می‌شود. استفاده از نانوذرات اکسید روی باعث کاهش عفونت در محل عمل و کاهش نیاز بیمار به مصرف آنتی‌بیوتیک می‌شود. هدف از انجام این پژوهش ساخت و مشخصه‌یابی اتصالات پلیمری آنتی‌باکتریال قابل جذب جهت کاربرد در بافت سخت است که بتواند نیاز بیمار به جراحی مجدد جهت خروج اتصالات دائمی را برطرف کند. برای این منظور از پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر پلی‌لاکتیک ‌اسید و پلی‌کاپرولاکتون و نانوذرات هیدروکسی‌ آپاتیت و اکسید روی و همچنین حلال کلروفرم استفاده شد. برای ساخت نمونه‌ها از روش محلولی استفاده شد و با استفاده از هم حمام فراصوت و همزن ‌مغناطیسی نمونه‌ها ساخته شد. جهت بررسی مورفولوژی داربست‌های ساخته شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی استفاده شد. ارزیابی سمیّت نمونه‌ها توسط آزمون MTT بررسی شد. رفتار نانوکامپوزیت‌ها در مقابل باکتری‌های اشریشیاکلای(ای‌کلای) و استافیلوکوکوس اورئوس(اس‌آرئوس) توسط اندازه‌گیری قطر هاله عدم رشد بررسی شد. نتایج نشان داد که میزان قطر هاله عدم رشد در زمینه پلیمری در برابر باکتری‌ ای‌کلای 0/219 ± 14/79 میلی‌متر و برای زمینه بهینه 0/341 ± 38/72 میلی‌متر بود. همچنین میزان قطر هاله عدم رشد در برابر باکتری اس‌آرئوس در زمینه پلیمری 0/32 ± 17/42 میلی‌متر و برای ماتریس بهینه 0/318 ± 39/97 میلی‌متر اندازه‌گیری شد که نشان از فعالیت آنتی‌باکتریال نانوذرات اکسید روی دارد. همچنین مشاهده شد که سلول‌های فیبروبلاست روی سطح داربست‌های اصلاح شده زنده‌مانی بیشتری نسبت به داربست پلیمری داشتند. این نتایج نشان داد که اصلاح داربست‌ها با نانوذرات باعث مهار رشد باکتری در محیط کشت می‌شود. این مطالعه نشان داد که اضافه کردن نانوذرات اکسید روی باعث بهبود خاصیت ضد باکتریایی داربست‌ها و همچنین بهبود زندهمانی سلول‌ها و کاهش سمیّت داربست می‌شود.