ساخت داربست‌های هیبریدی نانولیفی از پلی‌لاکتیک اسید-گرافن و ژلاتین برای کاربرد در مهندسی بافت استخوان

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 بناب، دانشگاه بناب، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی نساجی، کد پستی 5551761167

2 علی‌آباد کتول، دانشگاه گلستان، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی شیمی، صندوق پستی 15759-49138

3 مشهد، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، دانشکده علوم تشریح و بیولوژی سلولی، گروه تحقیقات مهندسی بافت صندوق پستی 8564-917794

چکیده

فرضیه: در بین نانوساختارها، نانوالیاف و نانوذرات به دلیل داشتن سطح ویژه زیاد و زیست‌سازگاری عالی کارایی چشمگیری در مهندسی بافت و رهایش کنترل‌شده دارو دارند.
روش‌ها: در این پژوهش، تولید داربست‌های نانولیفی از پلی‌لاکتیک اسید (PLA)، ژلاتین (Gel) و گرافن (G) به‌منظور ارزیابی کاربرد آن‌ها در مهندسی بافت استخوان بررسی شده است. به‌کارگیری ترکیب پلیمر طبیعی ژلاتین به همراه پلیمر سنتزی PLA به استفاده هم‌زمان از خواص پایداری مکانیکی مناسب PLA و خواص زیستی منحصر به‌فرد Gel منجر شد. بارگذاری گرافن در ساختار Gel/PLA موجب تشکیل نمد نانولیفی با شباهت زیاد به بافت استخوان شد. برای تولید داربست‌ها از دو پلیمر نامبرده، روش الکتروریسی هیبریدی به‌کار گرفته شد. محلول پلیمری Gel از یک سرنگ و محلول پلیمری PLA همراه با نانوذره گرافن از سرنگ دیگر تزریق شدند.
یافته‌ها: مطالعه خواص شکل‌شناختی داربست‌های تولیدشده نشان داد، افزودن گرافن به محلول PLA در ترکیب ژلاتین-پلی‌لاکتیک اسید (Gel/PLA)، قطر الیاف تولیدشده را به‌طور معنی‌داری کاهش داده است. و افزودن ژلاتین به ترکیب PLA و افزودن گرافن به ترکیب Gel/PLA زاویه تماس نمونه‌ها را کاهش داد. نانوالیاف هیبریدی G -Gel/PLA تهیه‌شده در مجاورت سلول‌های استخوان زیست‌سازگاری خوبی نشان دادند و هیچ سمیت سلولی مشاهده نشد. سلول‌های رشدیافته روی داربست‌ها شکل‌شناسی پهن و دوکی‌شکل نشان داده و تقریباً به‌طور یکنواخت کل ساختار نمد را پوشاندند. نانوالیاف نهایی تولیدشده با توجه به داشتن شکل‌شناسی صاف و نانولیفی، رفتار سلولی خوب و آب‌دوستی بیشتر می‌توانند انتخاب مناسبی برای استفاده در بافت استخوان باشند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Fabrication of Nanofibrous Hybrid Scaffolds from Polylactic Acid-Graphene and Gelatin for Application in Bone Tissue Engineering

نویسندگان [English]

  • Marziyeh Ranjbar-Mohammadi 1
  • Hanieh Shaki 2
  • Saeed Kargozar 3
1 Textile group, Faculty of Engineering, University of Bonab,Postal Code 5551761167, Bonab, Iran
2 2. Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, P.O. Box: 49138-15759, Golestan, Aliabad Katoul, Iran
3 Department of Modern Sciences and Technologies, School of Medicine, Mashhad University of Medical Sciences, P.O. Box: ???, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Among nanostructures, nanofibers and nanoparticles have a tremendous efficiency in tissue engineering and controlled release of drugs due to their high specific surface area and excellent biocompatibility.
Methods: The production of nanofibrous scaffolds from polylactic acid (PLA), gelatin (Gel) and graphene (G) has been conducted in order to investigate their application in bone tissue engineering. The use of a combination of natural and synthetic polymers resulted in simultaneous use of the appropriate mechanical stability of PLA and the unique biological properties of Gel. The loading of graphene in the Gel/PLA structure caused the formation of nanofibrous mat with great resemblance to bone tissue. For the production of scaffolds from two mentioned polymers, the dual electrospinning method was applied. Gelatin solution was injected from a syringe and PLA or PLA-G solutions from another syringe.
Findings: The morphological properties of the produced scaffolds showed that the addition of graphene to PLA solution reduced the diameter of the fabricated fibers, significantly. The addition of Gel to PLA and graphene to Gel/PLA decreased the contact angle of the samples. Gel/PLA-G hybrid nanofibers revealed good biocompatibility in the presence of human osteosarcoma cells, and no trace of cellular toxicity was observed. The cells grown on the scaffolds exhibited a spindle-like and broad morphology and almost uniformly covered the entire mat structure. The fabricated nanofibers due to smooth and nanofibrous morphology, good cellular behavior and higher hydrophilicity can be a good candidate for use in bone tissue.

کلیدواژه‌ها [English]

  • gelatin
  • polylactic acid
  • Graphene
  • hybrid nanofibers
  • bone tissue
  1. Leung V. and Ko F., Biomedical Applications of Nanofibers, Polym. Adv. Techol. 22, 359-365, 2011.
  2. Mashayekhi M., Mirzadeh H., and Bagheri-Khoulenjani S.H.,Effects of Crosslinking and Neutralization Agents on the Morphology of Chitosan Electrospun Scaffolds, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 521-531, 2017.
  3. TorricelliP., Gioffrè M., Fiorani A., Panzavolta S., Gualandi C., and Fini M., Co-electrospun Gelatin-Poly(L-lactic acid) Scaffolds: Modulation of Mechanical Properties and Chondrocyte Response as a Function of Composition, Mater. Sci. Eng. C,  36, 130-138, 2014.
  4. Wang T., Zhai Y., Nuzzo M., Yang X., Yang Y., and Zhang X., Layer-by-Layer Nanofiber-Enabled Engineering of Biomimetic Periosteum for Bone Repair and Reconstruction, Biomaterials, 182, 279-288, 2018.
  5. Howie R.N., Durham E., Oakes B., Grey Z., Smith J., Campbell P., LaRue A., Steed M., Muise-Helmericks R., and Cray J., Testing a Novel Nanofibre Scaffold for Utility in Bone Tissue Regeneration, J. Tissue Eng. Regen. Med., 12, 2055-2066, 2018.
  6. Kouhi, M., Morshed, M., Varshosaz, J., and Fathi, M. H. Poly(ε-caprolactone) Incorporated Bioactive Glass Nanoparticles and Simvastatin Nanocomposite Nanofibers: Preparation, Characterization and In Vitro Drug Release for Bone Regeneration Applications, Chem. Eng. J., 228, 1057-1065, 2013.
  7. Yu C.C., Chang J.J., Lee Y.Y. H., Lin C., Wu M.H., Yang M.C., and and Chien C.T., Electrospun Scaffolds Composing of Alginate, Chitosan, Collagen and Hydroxyapatite for Applying in Bone Tissue Engineering, Mater. Lett., 93, 133-136, 2013.
  8. Zhou Y.S., Yang D., Chen X., Xu Q., Lu F., and Nie J., Electrospun Water-Soluble Carbox yethyl Chitosan/Poly(vinyl alcohol) Nanofib us Membrane as Potential Wound Dressing for Skin Regeneration, Biomacromolecules, 9, 349-354, 2008.
  9. Zhang W., Chen L., and Zhang Y. Surprising Shape-Memory Effect of Polylactide Resulted from Toughening by Polyamide Elastomer, Polymer, 50, 1311-1315, 2009.
  10. Zhang Y., Ouyang H., Lim C.T., Ramakrishna S., and Huang Z.M., Electrospinning of Gelatin Fibers and Gelatin/PCL Composite Fibrous Scaffolds, J. Biomed. Mater. Res. B Appl. BioMater. 72B, 156-165, 2005.
  11. Sell S.A., Wolfe P.S., Garg K., McCool J.M., Rodriguez I.A., and Bowlin G.L., The Use of Natural Polymers in Tissue Engineering: A Focus on Electrospun Extracellular Matrix Analogue, Polymers, 2, 522-553, 2010.
  12. Heidari M., Bahrami S.H., and Ranjbar-Mohammadi M., Fabrication, optimization and Characterization of Electrospun Poly(caprolactone)/Gelatin/Graphene Nanofibrous Mats, Mat. Sci. Eng. C-Mater., 78, 218-229, 2017.
  13. Goenka S., Sant V., and Sant S., Graphene-based Nanomaterials for Drug Delivery and Tissue Engineering, J. Control. Release, 173, 75-88, 2014.
  14. Dubey N., Bentini R., Islam I., Cao T., Helio Castro Neto A., and Rosa V., Graphene: A Versatile Carbon-Based Material for Bone Tissue Engineering, Stem Cells Int., 2015, 1-12, 2015.
  15. Liu J., Cui L., and Losic D., Graphene and Graphene Oxide as New Nanocarriers for Drug Delivery Applications, Acta Biomater, 9, 9243-9257, 2013.
  16. Abbasi A., Nasef M.M., Takeshi M., and Faridi-Majidi R., Electrospinning of Nylon-6,6 Solutions into Nanofibers: Rheology and Morphology Relationships, Chinese. J. Polym. Sci., 32, 793-804, 2014.
  17. Bao Q., Zhang H., Yang J.X., Wang S., Tang D.Y., Jose R., Ramakrishna R., Lim C.T., and Loh K.P., Graphene–Polymer Nanofiber Membrane for Ultrafast Photonics, Adv. Funct. Mater, 20, 782-791, 2010.
  18. Ramazani S. and Karimi M., Aligned Poly(ε-caprolactone)/Graphene Oxide and Reduced Graphene Oxide Nanocomposite Nanofibers: Morphological, Mechanical and Structural Properties, Mat. Sci. Eng. C-Mater., 56, 325-334, 2015.
  19. Ramazani S. and Karimi M., Electrospinning of Poly(ε-caprolactone) Solutions Containing Graphene Oxide: Effects of Graphene Oxide Content and Oxidation Level, Polym. Compos., 37, 131-140, 2014.
  20. Yu Y.H., Chan Ch.Ch.,  Lai Y.Ch.,  Lin Y.Y.,  Huang Y.Ch., Chi W.F.,  Kuo Ch.W.,  Lin H.    M., and Chen P.Ch., Biocompatible Electrospinning Poly(vinyl alcohol) Nanofibres Embedded with Graphene-Based Derivatives with Enhanced Conductivity, Mechanical Strength and Thermal Stability, RSC Adv., 4, 56373-56384, 2014.
  21. Luo Y., Shen H., Fang Y., Cao Y., Huang J., Zhang M., Dai J., Shi X., and Zhang Z., Enhanced Proliferation and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells on Graphene Oxide-Incorporated Electrospun Poly(lactic-co-glycolic acid) Nanofibrous Mats, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 6331-6339, 2015.
  22. Sayyar S., Murray E., Thompson B.C., Gambhir S., Officer D.L., and Wallace G.G., Covalently Linked Biocompatible Graphene/Polycaprolactone Composites for Tissue Engineering, Carbon, 52, 296-304, 2013.
  1. Ma H., Su W., Tai Z., Sun D., Yan X., Liu B., and Xue Q., Preparation and Cytocompatibility of Polylactic Acid/Hydroxyapatite/Graphene Oxide Nanocomposite Fibrous Membrane, Chin. Sci. Bull., 57, 3051-3058, 2012.