عنوان

مطالعه تأثیر ترکیب، درصد تخلخل و نوع شبکه بندی بر روی خواص مکانیکی و بیولوژیکی داربست‌های زیستی غضروف پایه ‮‭AL/SF/HA/PCL‬تولید شده در فرآیند بیوپرینت-اکسترود,‮‭Study on the effects of composition, porosity and structure design on the mechanical and biological properties of AL/SF/HA/PCL cartilage scaffolds fabricated by extruder base Bio Printing process‬

Number

‭۲۰۵۲۷پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

مطالعه تأثیر ترکیب، درصد تخلخل و نوع شبکه بندی بر روی خواص مکانیکی و بیولوژیکی داربست‌های زیستی غضروف پایه ‮‭AL/SF/HA/PCL‬تولید شده در فرآیند بیوپرینت-اکسترود

Parallel Title Proper

‮‭Study on the effects of composition, porosity and structure design on the mechanical and biological properties of AL/SF/HA/PCL cartilage scaffolds fabricated by extruder base Bio Printing process‬

First Statement of Responsibility

/بابک روشنگر زینه

Name of Publisher, Distributor, etc.

: فنی مهندسی مکانیک

Date of Publication, Distribution, etc.

، ‮‭۱۳۹۷‬

Name of Manufacturer

، افشاری

Specific Material Designation and Extent of Item

‮‭۱۶۳‬ص‬

Text of Note

چاپی - الکترونیکی

Dissertation or thesis details and type of degree

کارشناسی ارشد

Discipline of degree

ساخت و تولید

Date of degree

‮‭۱۳۹۷/۱۱/۱۵‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

داربست زیستی پرینت شده، شبکه متخلخل و منظم به هم پیوسته‌ای است که سلول درون آن نفوذ و شروع به رشد می‌کند .داربست زیستی وظیفه حمایت از سلول در مراحل اولیه کشت و رشد را به عهده دارد و باتحمل نیروهای وارد شده از طرف بدن، مانع از آسیب آن می‌شود تا سلول به بلوغ کامل برسد .هدف از این پژوهش یافتن تأثیر ترکیب، درصد تخلخل و نوع شبکه بندی بر روی خواص مکانیکی و بیولوژیکی داربست‌های زیستی غضروف زانو متشکل از بیومواد آلژینات ، هیالورونیک اسید ، پلی کاپرولاکتان و فیبرین ابریشم تولید شده به روش بیوپرینت-اکسترود، جهت بهبود ویژگی‌های آن می‌باشد .جهت افزایش چسبندگی سلول‌ها به سطح داربست ذرات پلی‌وینیلیدین فلوراید به ترکیب اضافه شده است .ترکیب نهایی تحت نام آلژینات/فیبرین ابریشم/هیالورونیک اسید/پلی کاپرولاکتون معرفی شد .ترکیب بیومواد، تخلخل و نوع شبکه بندی داربست زیستی غضروف زانو به‌عنوان پارامترهای ورودی و استحکام کششی، استحکام فشاری، ویسکوزیته سینماتیک، سختی و تست سمیت در داربست زیستی غضروف زانو به‌عنوان پارامترهای خروجی به‌صورت تجربی و عددی مورد آزمایش و تحلیل قرار گرفتند .جهت کنترل ترکیب یکنواخت و هموژن بیومواد و همچنین عدم سمیت بیومواد، از تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی استفاده شد .تخلخل و شبکه بندی داربست زیستی پرینت شده توسط فاصله سطر بیوپرینت و قطر نازل خروجی تعیین و بررسی شد .تخلخل و شبکه بندی داربست‌های زیستی به‌صورت دو عامل وابسته به هم بررسی گردیدند، به‌طوری که با کاهش قطر نازل از ‮‭۶/۰‬ به ./‮‭۲‬ میلی متر و افزایش فاصل‍ ستون‌ها تا ‮‭۲/۱‬ میلی متر علاوه بر تغییر شبکه بندی داربست زیستی، درصد تخلخل آن نیز افزایش یافت .کشت سلول‌های زنده غضروف زانو در شرایط آزمایشگاهی مناسب جهت انجام آزمایشات بیولوژیکی صورت پذیرفت .پس از انجام آزمایشات تجربی مکانیکی و بیولوژیکی با پارامترهای ورودی مختلف، بررسی تحلیلی توسط نرم افزار انسیس و با در نظر گرفتن مدل هایپرالاستیک مونی-ریویلین سه پارامتری صورت پذیرفت .نتایج تست‌های تجربی و نمودار تنش-کرنش تجربی، جهت اعتبار سنجی نتایج تحلیل عددی استفاده گردید .به دنبال آن در داربست زیستی برای سنجش توانایی تحمل بارها، ایجاد حمایت از بافت و سازگاری داربست زیستی پرینت شده، ترکیب دارای ‮‭۴۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر آلژینات، ‮‭۴۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر فیبرین ابریشم، ‮‭۱۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر هیالورونیک اسید و ‮‭۳۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر پلی کاپرولاکتون با حضور یک درصد وزنی از پلی وینیلیدین فلوراید در نمونه زنده) گوسفندی (پیوند زده شدند و بعد از شش ماه خواص بیولوژیکی متناسب آن با سلول‌های غضروف زانو بر اساس تست‌های تجربی بیولوژیکی تأیید گردید و بهبود کامل زانوی نمون‍ حیوانی پس از این باز زمانی مشاهده شد .بر اساس نتایج تجربی حاصل از تست‌های مکانیکی، بیولوژیکی و تصاویر میکروسکوپ الکترونی، ترکیب دارای ‮‭۴۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر آلژینات، ‮‭۴۰‬میلی گرم بر میلی لیتر فیبرین ابریشم، ‮‭۱۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر هیالورونیک اسید و ‮‭۳۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر پلی کاپرولاکتون با حضور یک درصد وزنی از پلی وینیلیدین فلوراید، بهترین ترکیب از لحاظ خواص مکانیکی و بیولوژیکی پس از گذشت ‮‭۹۶‬ ساعت از کشت سلولی غضروف زانو تعیین گردید .حداکثر مقاومت کششی تجربی این ترکیب ‮‭۸۲۷‬ کیلو پاسکال و مقاومت فشاری در اعمال کرنش ‮‭۲۰‬ درصد، ‮‭۲۰۹۲‬ کیلو پاسکال و مقدار سختی ‮‭۷۲‬ واحد ‮‭shore A‬ محاسبه شد که در باز کشش و فشار قابل تحمل برای غضروف طبیعی مفصل زانو‮‭۸۵۰ - (۲۴۰‬کیلو پاسکال (و سختی متناسب با بافت غضروف قرار داشت .مشاهدات نشان داد که حضور بیوماد فیبرین ابریشم بر روی بهبود ویژگی‌های فشاری و کششی داربست زیستی غضروف زانو به دلیل ساختار میله‌ای و کشید آن لازم و ضروری است، به نحوی که بر اساس تست‌های تجربی هنگامی که حجم فیبرین ابریشم از ‮‭۲۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر به ‮‭۵۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر افزایش می‌یابد، داربست زیستی توانایی تحمل فشار و کشش بیشتری را تجربه می‌کند .بعلاوه افزایش ویسکوزیته سینماتیک ترکیب با حضور ‮‭۴۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر فیبرین ابریشم، موجب بهبود کیفیت بیوپرینت داربست‌های غضروف زانو گردید .نتایج تست تجربی فشار نشان داد، با افزایش حضور بیوماد آلژینات از ‮‭۳۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر به ‮‭۵۰‬ میلی گرم بر میلی لیتر در ترکیب، تنش فشاری قابل تحمل ترکیب به دلیل تشکیل زنجیره‌های یونی بیشتر در ساختار افزایش می‌یابد .تأثیر حضور بیوماد هیالورونیک اسید بر روی ویژگی‌های بیولوژیکی داربست زیستی بود و موجب افزایش هشت درصدی سلول‌های زنده پس از کشت شد ولی تأثیر محسوسی بر روی خواص مکانیکی ایجاد نکرد .پلی کاپرولاکتون نیز به دلیل کنترل میزان سختی داربست زیستی به ترکیب افزوده شد .نتایج تست‌های تجربی و تحلیل عددی نشان دادند، هرچه قطر نازل خروجی از ‮‭۶/۰‬ به ‮‭۲/۰‬ میلی متر کاهش و فاصله سطرهای پرینت شده در داربست زیستی بیشتر شود، به دلیل کاهش نسبت بیومواد به فضای خالی موجود، تخلخل افزایش و مقاومت مکانیکی شبکه بندی مذکور با توجه به نتایج تست‌های مکانیکی کاهش می‌یابد .بر اساس نتایج تحلیل عددی، با افزایش فاصله شبکه بندی از ‮‭۴/۰‬ به ‮‭۶/۰‬ میلی متر، تنش فشاری قابل تحمل داربست زیستی در اعمال کرنش ‮‭۲۰‬ درصد با ترکیب ذکر شده به دلیل کاهش حضور بیوماده هایپرالاستیک و افزایش تخلخل کاهش می‌یابد .نهایتا قطر نازل اکسترود ‮‭۴/۰‬ میلی متر و شبکه بندی مربعی بر پایه تحلیل‌های عددی و آزمایشات تجربی به‌عنوان بهترین شبکه بندی تعیین گردید .اختلاف میانگین بین نمودار تنش-کرنش حاصل از آزمایشات تجربی و تحلیل عددی برای این بیوماده ‮‭۵/۴‬ درصد بالاتر برای تحلیل عددی حاصل گردید .تحلیل‌های عددی باهدف ایجاد توانایی بررسی خواص مکانیکی داربست‌های زیستی در مقابل نیروهای فشاری و کششی در توپوگرافی‌های مختلف قبل از فرآیند بیوپرینت، صورت پذیرفت .نتایج تجربی تست‌های بیولوژیکی نشان داد که در شبکه بندی‮‭۴/۰‬ ‌ ‮‭۴/۰‬میلی متر، درصد سلول‌های زنده افزایش می‌یابد .تست‌های عدم سمیت افزایش تعداد سلول‌ها در ‮‭۹۶‬ ساعت اول کشت را در ترکیب ذکر شده نشان دادند

Text of Note

0.4 mm. Biological tests showed an increase in the number of cells in the first 96 hours of culture in the mentioned combination ‌ The bio-printed scaffold is a porous and interconnected network in which the cell penetrates and begins to grow. Bio scaffolds have the task of supporting the cell in the early stages of growth and proliferation, and by enduring against the natural forces exists in a living body, it prevents damage until the cell reaches its full maturity. The purpose of this study was to find the effect of the different composition, porosity, and design of bio scaffolds on the mechanical and biological properties of artificial cartilage printed scaffolds, consisting of alginate, hyaluronic acid, Polycaprolactone and silk fibrin to improving its characteristics. To increase the adhesion of the cells, the polyvinylidine fluoride particles are added to the composition. The final combination was introduced under the name alginate/silk fibrin/hyaluronic acid /polycaprolactone. Bio material composition, porosity and design of bio scaffold as input parameters and tensile strength, compressive strength, kinematic viscosity, hardness, MTT assay in bio scaffold as output parameters experimentally and numerically Were tested and analyzed. Transmission and scanning electron microscopy were used to control the homogeneity and homogeneous composition of scaffolds. The porosity and design of bio-printing scaffold were determined by the distance between the printing rows and the diameter of the outlet nozzle. Porosity and architecture of scaffolds were investigated by two dependent factors, so that, by decreasing the diameter of the nozzle and increasing the distance between the columns, in addition to changing the scaffolding of the scaffold, the porosity also increased. artificial cartilage cells were cultured in appropriate laboratory conditions for biological tests. After performing experimental mechanical and biological experiments with different input parameters, an analytical study was performed by ANSYS software, taking into account the three parameter mooney-rivlin hyperplastic model. The results of experimental tests and experimental stress-strain diagrams were used to validate numerical analysis results. afterward, to assess the ability to withstand loads, to support the tissue and the compatibility of printed scaffolds, these scaffolds were grafted in the live specimen (sheep), and after six months, the biological properties experimental biological tests was confirmed and complete improvement of the knee of the animal sample was observed. Based on the experimental results obtained from mechanical, biological and electron microscope images, the combination contains 40 mg/ml alginates, 40 mg/ml silk fibrin, 10 mg/ml hyaluronic acid and 30 mg/ml Polycaprolactone with a one weight percent of polyvinylidine fluoride was the best combination for mechanical and biological properties after 96 hours of chondrocytes culture. The maximum tensile strength of this compound in the tensile test was 827 kPa and the maximum compressive strength of 2092 Kpa and the hardness of 72 units of shore A were calculated, which was in the proper range for the normal cartilage (240-850 kpa). Observations have shown that the effect of the presence of silk fibrin biomaterial on the improvement of the compressive and tensile properties of the knee cartilage due to its rod structure is higher than that of other biomaterials in the composition, so that according to experimental tests, when percentage of the silk fibrin increases, the scaffold experiences the ability to withstand more stress and tension. In addition, increasing the kinematic viscosity of the composition with the presence of higher percentages of silk fibrin increased the quality of cartilage scaffolds. The experimental results of the compression test showed that, with the increasing presence of the alginate in the composition, the maximum tolerable stress of the compound increases due to the formation of more ionic chains in the structure. Biological effects of hyaluronic acid on biological properties of biological scaffolds, increased the percentage of live cells after cultivation but did not significantly affect mechanical properties. By increasing the proportion of poly-caprolactone present in the composition, the hardness of the scaffold increased. The results of experimental and numerical analysis showed that the smaller the nozzle diameter and the distance between the printed lines in the scaffold, due to the reduction of the proportion of the biomaterial to the available space, the porosity and the mechanical strength of the networking according to the results of the tests Mechanical decreases. Based on the results of numerical analysis, with increasing grid spacing from 0.4 to 0.6 mm, the maximum tolerable compressive stress of the scaffold with proper combination is reduced due to the reduced hyperplastic content and porosity increase. Finally, 0.4 mm extruder nozzle diameter and square grid was determined based on numerical analysis and experimental experiments as the best gridding. The mean difference between the experimental stress-strain graph and numerical analysis was 4.5 higher for numerical analysis and confirmed the results of numerical tests. Experimental results of biological tests showed that the percentage of live cells increased with increasing porosity and with a mesh of 0.4 mm

Parallel Title

‮‭Study on the effects of composition, porosity and structure design on the mechanical and biological properties of AL/SF/HA/PCL cartilage scaffolds fabricated by extruder base Bio Printing process‬

روشنگر زینه، بابک

Roushangar Zineh, Babak

شبگرد، محمدرضا، استاد راهنما

روشنگر، لیلا، استاد راهنما

جهانی، کمال، استاد مشاور

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی