عنوان

تهیه و ارزیابی خواص داربست‌های نانوکامپوزیتی پلیمری زیست‌سازگار بر پایه‌ی کیتوسان و نانوکریستال‌های سلولز به منظور کاربرد در مهندسی بافت استخوان

پ۲۹۳۳۰

per

تهیه و ارزیابی خواص داربست‌های نانوکامپوزیتی پلیمری زیست‌سازگار بر پایه‌ی کیتوسان و نانوکریستال‌های سلولز به منظور کاربرد در مهندسی بافت استخوان

فاطمه دوستدار

شیمی

۱۴۰۲

۱۴۰ص.

سی دی

دکتری

شیمی گرایش کاربردی

۱۴۰۲/۰۶/۲۰

بخش اول: در بخش اول این پژوهش ابتدا چهار نوع داربست بر پایه کیتوسان و نانوکریستال‌های سلولز با نام‌های اختصاری CS/CNC، CS/CNC (GA)، CS/CNC (Ca2+) و CS/CNC (GA&Ca2+) به ترتیب بدون عامل اتصال‌دهنده عرضی‌، حاوی گلوتارآلدهید، حاوی کاتیون‌های کلسیم و حاوی دو نوع عامل ایجاد اتصال عرضی شامل گلوتارآلدهید و کاتیون‌های کلسیم تهیه شد تا تأثیر عوامل اتصال‌دهنده عرضی کووالانسی و یونی بر خواص داربست‌ها بررسی شود. تصاویر FESEM داربست‌های تهیه شده در بخش اول نشان دادند که داربست CS/CNC (GA&Ca2+) منظم‌ترین شبکه را در بین سایر داربست‌ها داراست. همچنین، نتایج حاصل از آنالیز وزن‌سنجی حرارتی نشان داد که داربست‌های CS/CNC، CS/CNC (GA)، CS/CNC (Ca2+) و CS/CNC (GA&Ca2+) به ترتیب ٪8/78، ٪1/76، ٪8/75 و ٪3/74 از وزن اولیه خود را از دست دادند. نتایج مطالعات مکانیکی بخش اول مشخص کرد که استفاده از عوامل اتصال‌دهنده عرضی مانند گلوتارآلدهید و کاتیون‌های کلسیم می‌تواند استحکام فشاری داربست‌ها را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. با توجه به مطالعات زیست‌تخریب‌‌پذیری در بخش اول، نمونه CS/CNC (Ca2+) بالاترین سرعت تجزیه را نشان داد و حدود ٪ 5/39 از وزن اولیه خود را در طول سه هفته از دست داد. تصاویر FESEM و آنالیز EDX داربست‌های تهیه شده در بخش اول، بعد از غوطه‌وری در محلول شبیه‌سازی شده بدن نشان دادند که زیست مواد معدنی از جمله آپاتیت بر روی داربست‌ها تشکیل شده‌اند. ترتیب درصد زنده‌مانی سلول‌ها بر روی داربست‌های تهیه شده در بخش اول با اتصال‌دهنده‌‌های عرضی مختلف به صورت CS/CNC(Ca2+)>CS/CNC>CS/CNC(GA&Ca2+)>CS/CNC(GA) می‌باشد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت گلوتارآلدهید تاثیر منفی بر روی توانایی داربست‌ها برای ایجاد محیط مناسب برای کشت و تکثیر سلولی دارد. بخش دوم: در بخش دوم این کار پژوهشی سعی شد تا قابلیت داربست‌های کیتوسان/نانوکریستال سلولز برای کاربرد در دارورسانی بررسی شود. داربست‌های کیتوسان/نانوکریستال سلولز اتصال عرضی یافته با کلسیم کلرید (CaCl2) برای ادامه مطالعه در بخش دوم انتخاب شدند. برای این منظور ابتدا چهار داربست با نامهای CS/CNC، CS/CNC/HNT1، CS/CNC/HNT5 و CS/CNC/HNT10 با استفاده از کاتیونهای کلسیم به عنوان عامل اتصال‌دهنده عرضی تهیه شدند که هر کدام به ترتیب حاوی 0، 1، 5 و 10 درصد وزنی از نانولوله‌های هالوسیت نسبت به جرم پلیمرهای استفاده شده هستند. داربست نانوکامپوزیتی CS/CNC/HNT10 بزرگترین سطح ویژه (m2/g 24) و بالاترین حجم تخلخل (cm3/g 04/0) را در بین داربست‌های تهیه شده در بخش دوم نشان داد. نتایج به دست‌آمده از آنالیز وزن‌سنجی حرارتی در بخش دوم تایید کردند که ادغام نانولوله‌های هالوسیت در ماتریس داربست‌ها می‌تواند به بهبود ویژگی پایداری حرارتی آنها منجر شود. استحکام فشاری داربست نانوکامپوزیتی CS/CNC/HNT10 که برابر با حدود kPa 6500 است، بالاتر از سایر داربست‌های نانوکامپوزیتی تهیه شده در بخش دوم بود. در پایان هفته سوم مطالعات زیست تخریب‌پذیری در بخش دوم، داربست‌های CS/CNC، CS/CNC/HNT1، CS/CNC/HNT5 و CS/CNC/HNT10 به ترتیب 5/39٪، 5/58٪، 61٪ و 66٪ از وزن اولیه خود را از دست دادند. علاوه بر آن، مطالعات تشکیل زیست‌مواد معدنی مشخص کرد که ادغام نانولوله‌های هالوسیت در ماتریس داربست‌ها می‌تواند منجر به افزایش خاصیت زیست‌فعالی و توانایی زیست‌معدنی‌سازی داربست‌ها شود. در ادامه مطالعات بخش دوم، کورکومین با نسبتهای وزنی مختلف هالوسیت به کورکومین داخل نانولوله‌های هالوسیت بارگذاری شد(CR-HNT) و با توجه به نتایج حاصل، نسبت (HNT:CR) 5:1 برای ادامه مطالعه در نظر گرفته شد. درصد رهایش تجمعی کورکومین از CR-HNT و داربست نانوکامپوزیتی CS/CNC/CR-HNT10 به ترتیب مساوی با 5/58٪ و 4/17٪ در طول ۲۴ ساعت به دست آمد. داربست نانوکامپوزیتی CS/CNC/CR-HNT10 بالاترین درصد زنده‌مانی سلول‌ها نسبت به سایر داربست‌های نانوکامپوزیتی را در بخش دوم از خود نشان داد. همچنین، تصاویر فلورسانس حاصل از آنالیز Live/Dead سلول‌های فیبروبلاست NIH3T3 کشت شده بر روی داربست‌های نانوکامپوزیتی با انتشار رنگ سبز نشان دادند که داربست‌های نانوکامپوزیتی CS/CNC/HNT10 و CS/CNC/CR-HNT10 غیر سمی بوده و از زنده‌مانی سلول‌ها حمایت می‌کنند. در ادامه، تصاویر FESEM سلول‌ها بر روی داربست‌ها نشان دادند که چسبندگی سلولی قابل توجهی حاصل شده است. نتایج حاصل از مطالعات آنتی‌باکتریال بخش دوم نشان داد که کورکومین در داخل داربست نانوکامپوزیتی می‌تواند رهایش پیدا کند و خواص ضدباکتریایی در برابر باکتری گرم منفی و گرم مثبت نشان

Abstract: First part:In the first part of the current research, four different chitosan/cellulose nanocrystal-based scaffolds were fabricated using different crosslinking agents to investigate the effect of different crosslinking methods on the final characteristics of the scaffolds. The prepared scaffolds named CS/CNC, CS/CNC(GA), CS/CNC (Ca2+), and CS/CNC (GA&Ca2+) respectively contained no crosslinker, glutaraldehyde, calcium cations, and both glutaraldehyde and calcium cations. CS/CNC (GA&Ca2+) scaffold showed a more regular network compared to the other scaffolds that were fabricated in the first part of the study. Also, the results of the thermogravimetric analysis indicated that CS/CNC, CS/CNC(GA), CS/CNC (Ca2+), and CS/CNC (GA&Ca2+) scaffolds respectively lost 78.8%, 76.1%, 75.8%, and 74.3% of their initial weight during thermal degradation. The addition of crosslinkers, including glutaraldehyde and calcium cations, modified the compressive strength of scaffolds that were fabricated in the first part of the study. CS/CNC (Ca2+) scaffold represented the highest degradation rate (39.5%) compared to the other prepared scaffolds in the first part. Moreover, the deposition of biominerals, including apatite, on the prepared scaffolds after 14 days of incubation in simulated body fluid was confirmed through FESEM images and EDX analysis. The results of cell proliferation studies in the first part of the research demonstrated that the order of cell viability alters in the prepared scaffolds as CS/CNC(Ca2+)>CS/CNC>CS/CNC(GA&Ca2+)>CS/CNC(GA). It can be concluded that glutaraldehyde has a negative effect on the cell proliferation process. Second part: In the second part of the study, calcium-crosslinked chitosan/cellulose nanocrystals scaffold was modified using halloysite nanotubes to enhance its mechanical strength. Then, the efficiency of the scaffold for curcumin delivery was examined. Four chitosan/cellulose nanocrystals scaffolds named CS/CNC, CS/CNC/HNT1, CS/CNC/HNT5, and CS/CNC/HNT10 containing 0, 1, 5, and 10 wt% of nanotubes (with respect to the weight of polymers) respectively were prepared in the second part. The CS/CNC/HNT10 nanocomposite scaffold represented the largest surface area (24 m2/g) and the highest pore volume (0.04 cm3/g) among the scaffolds that were fabricated in the second part. The obtained results from thermogravimetric analysis confirmed that the addition of halloysite nanotubes within the matrix of the scaffold can improve their thermal resistance. The compressive strength of CS/CNC/HNT10 nanocomposite scaffold was equal to 6500 kPa, which is higher than those of other scaffolds that were fabricated in the second part. The biodegradability studies expressed that at the end of the third week, CS/CNC, CS/CNC/HNT1, CS/CNC/HNT5, and CS/CNC/HNT10 samples lost 39.5%, 58.5%, 61%, and 66% of their initial weight, respectively. In addition, the biomineralization studies revealed that the incorporation of halloysite nanotubes within the matrix of scaffolds can lead to the enhancement of bioactivity and biomineralization capability of the scaffolds. In continue, curcumin was loaded on halloysite nanotubes (CR-HNT). The cumulative release percent of curcumin from neat CR-HNT and CS/CNC/CR-HNT10 nanocomposite scaffold was obtained by 58.5% and 17.4% in 24 h, respectively. The CS/CNC/CR-HNT10 nanocomposite scaffold showed the highest percent of cell viability among the scaffolds that were fabricated in the second part. The fluorescence images of Live/Dead assay of NIH3T3 fibroblast cells showed that CS/CNC/HNT10 and CS/CNC/CR-HNT10 nanocomposite scaffolds are non-toxic and well-matched with a good cellular response. The FESEM images of cells on the CS/CNC scaffold, and CS/CNC/HNT1, CS/CNC/HNT5, CS/CNC/HNT10, and CS/CNC/CR-HNT10 nanocomposite scaffolds showed that expected interactions have been formed between the polymeric matrix and cultured cells, and remarkable cell attachment has been obtained. The results of the antibacterial test in the second part of the study represented an acceptable antibacterial activity of the released curcumin.

Preparation and characterization of biocompatible polymeric nanocomposite scaffolds based on chitosan and cellulose nanocrystals for bone tissue engineering

‏دوستدار،

‏فاطمه

تهیه کننده

‏اولاد،

قربانی،

‏‏علی

‏ مرجان

استاد راهنما

استاد مشاور

‏ تبریز