25077

ارزيابي خواص رئولوژيكي نانو كامپوزيتهاي تزريق پذير شيشه زيست فعال/ژلاتين/كايتوسان

دكتري

مهندسي مواد

1394

1400/01/30

بيژن افتخاري يكتا- حميدرضا رضايي

محمدرضا نعيمي جمال

مهندسي مواد

هدف از انجام اين پروژه تهيه خميرهاي نانوكامپوزيتي متشكل از اجزاء شيشه زيست فعال، محلول هاي پليمري حاوي كايتوسان و ژلاتين، عامل ايجاد اتصال عرضي ) GPTMS (و بررسي خصوصيات فيزيكي، رئولوژيكي و بيولوژيكي كامپوزيتهاي تهيه شده مي باشد. در اين پروژه تركيب شيشه زيست فعال، نوع محلول پليمري و مقدار كراسلينكر به عنوان متغيرهاي مورد بررسي انتخاب شدند. ابتدا سنتز شيشه زيست فعال(BG1) 64SiO2.31CaO.5P2O5 و فعال (BG2) 64SiO2.27CaO.4MgO.5P2O5 به روش سل-ژل اسيد باز صورت گرفت و ويژگي پودر تهيه شده با آناليزهاي XRD,FTIR,BET و SEM تعيين شد. نتايج نشان داد كه، پودر شيشه سنتز شده (BG1) داراي سطح ويژه (m2/g) 139/123، متوسط قطر حفرات (nm) 217/18و حجم حفرات (cm3/g) 602/0 و پودر شيشه BG2 داراي سطح ويژه (m2/g) 104/109، توزيع چندگانه اي در اندازه حفرات اين شيشه ديده مي شود بطوريكه متوسط قطر حفرات (nm) 036/23 و حجم حفرات (cm3/g) 6340/0 است. در واقع با افزودن منيزيم به تركيب شيشه، سطح ويژه كاهش، قطر و حجم حفرات افزايش يافت. خمير حاصل شده از مخلوط شيشه (BG1)، محلول كايتوسان و محلول ژلاتين داراي رفتار رقيق برشي است. با افزودن كايتوسان به خمير حاوي ژلاتين ماكزيمم ويسكوزيته مختلط از Pa.s 10× 88/8 به Pa.s 102× 38/3 رسيد، به طوريكه در خمير حاوي كايتوسان تنها Pa.s 105×82/3 اندازه گيري شد. با افزودن كايتوسان به خمير كامپوزيتي نيروي تزريق در سرنگي با قطر سوزن mm 2، از حدود N 5 به N 20 افزايش يافت و تزريق پذيري از 100% به 53% كاهش يافت. بعد از 14 روز غوطه وري در محلول SBF لايه اي از كلسيم فسفات آپاتيتي به همراه كلسيت بر سطح خمير تشكيل شد كه معرف زيست فعال بودن خميرهاي نانوكامپوزيتي است. مقاومت به آبشويي خميرها مورد بررسي قرار گرفت به طوريكه با افزودن GPTMS به خمير، مقاومت به آبشويي خميرهاي حاوي ژلاتين بهبود يافت، اين در حالي است كه ماكزيمم ويسكوزيته مختلط تمام خميرها به بيش از Pa.s 105 رسيد، رفتار رئولوژيكي خميرهاي حاوي ژلاتين، منظم شد، تزريق پذيري خميرهاي حاوي كايتوسان به دليل پديده جدايش فازي به شدت كاهش يافت و مدول ذخيره تمام خميرها در محدودهS-1 1000-1/0 از مدول اتلاف آن بزرگتر بود. با افزايش غلظت GPTMS ويسكوزيته مختلط مجددا افزايش يافت. در خميرهاي BG2، با افزايش مقدار GPTMS ويسكوزيته مختلط در خمير حاوي كايتوسان از Pa.s 104 x 18/3 به 104 x 7 افزايش يافت و در خمير حاوي ژلاتين تنها ويسكوزيته مختلط از Pa.s 104 x6/4 به 105 x 19/2 افزايش يافت. ضمن اينكه با افزودن منيزيم انسجام ساختار افزايش يافت، تشكيل كلسيت به طور كلي كنترل شد به طوريكه بعد از 14 روز غوطه وري در محلول SBF، كلسيت به طور كامل انحلال يافت و تبديل به آپاتيت شد. مقاومت مكانيكي با افزودن wt.% 10 يا wt.% 20درصد وزني GPTMS افزايش يافته است. علاوه بر اين، پليمرها موجب افزايش تخريب نمي شوند زيرا كاهش وزن، بيش از 10٪ پس از 30 روز در شرايط فيزيولوژيكي رخ داد. كامپوزيت هاي BG2-gelatin-20 wt.% GPTMS بالاترين مقاومت فشاري (2/0± 8/4 MPa) را در مقايسه با كنترل 100٪ BG (1/0 ± 9/1 MPa) نشان دادند. سازگاري سلولي با سلولهاي بنيادي مزانشيمي انسان (hMSC)، استئوبلاست ها و سلول هاي اندوتليال نشان داده شد. با توجه به نتايج يه دست آمده، مي توان حدس زد كه معرفي پليمرها ژلاتين يا كيتوزان و GPTMS به عنوان كراس- لينكر هيچ اثر سمي نسبت به رده هاي سلولي آزمايش شده ايجاد نكرده است. وجود 20٪ وزني GPTMS باعث ايجاد خواص ضد باكتريايي مي شود بنابراين از پاتوژن هاي مفصلي استافيلوكوكوس اورئوس و استافيلوكوكوس اپيدرميديس جلوگيري مي كند. همانطور كه انتظار ميرفت، نتايج دقيقاً مرتبط يه فرمولاسيون كامپوزيت ها و به ويژه حضور كايتوسان يود. سرانجام، استخوان سازي hMSC با موفقيت در يك مدل سه بعدي پشتيباني شد كه توسط انتشار آلكالين فسفاتاز و بيان ژن هاي استئوژنيك كلاژن نوع COL1) 1) ، آلكالين فسفاتاز (ALP) و استئوپونتين (OPN) نشان داده شد. تصاوير SEM از سلولهاي موجود در منافذ كامپوزيتها مورفولوژي ستاره اي را نشان مي دهند كه معمولاً در استئوبلاست هاي بالغ است. به طور كلي كامپوزيتهاي تهيه شده با شيشه زيست فعال، محلول كايتوسان، محلول ژلاتين و GPTMS مي توانند به عنوان جايگزين استخوان قرار گيرند. البته زيست فعالي، قابليت تزريق پذيري و مقاومت به آبشويي در اين كامپوزيتها به تركيب، نوع محلول پليمري و غلظت GPTMS بستگي دارد.

1400/04/26

Evaluation of rheological properties of bioactive glass / gelatin / chitosan injectable nanocomposites

4/19/2022 12:00:00 AM

The purpose of this project is to prepare nanocomposite pastes consisting of bioactive glass components, polymer solutions containing chitosan and gelatin, crosslinker (GPTMS) and to study the physical, rheological and biological properties of the prepared composites. Polymer solution and crosslinker amount were selected as variables. First, bioactive glass (BG1) 64SiO2.31CaO.5P2O5, (BG2) 64SiO2.27CaO.4MgO.5P2O5 were synthesized by open acid sol-gel method and the properties of the prepared powder were determined by XRD, FTIR, BET and SEM analyzes. Bioactive glass powder was prepared with polymer solutions of chitosan and gelatin with concentration (3 w/v) and rheological properties in oscillation, injectability, leaching resistance and calcium phosphate phase formation behavior in simulated body solution (SBF) with The passage of time was assessed using EDXA, XRD, FTIR and SEM techniques. The results showed that synthesized glass powder (BG1) has a specific surface area (m2/g) of 123.139, average pore diameter (nm) 18.217 and pore volume (cm3/g) 0.602 and glass powder BG2 has a specific surface area of 109.104 (m2/g), a multiple distribution in the pore size of this glass can be seen so that the average pore diameter (nm) is 23.0636 and the pore volume (cm3/g) is 0.340. In fact, by adding magnesium to the glass composition, the specific surface area decreased, the diameter and volume of the cavities increased. The paste obtained from a mixture of glass (BG1), chitosan solution and gelatin solution has a thin shear behavior. By adding chitosan to the paste containing gelatin, the maximum mixed viscosity increased from 8.88 × 10 Pa.s to 3.38 × 102 Pa.s, so that only 3.82 × 105 Pa.s was measured in the chitosan paste. By adding chitosan to the composite paste, the injection force in the 2 mm needle syringe increased from about 5 N to 20 N and the injectability decreased from 100% to 53%. After 14 days of immersion in SBF solution, a layer of apatite calcium phosphate with calcite was formed on the surface of the paste, which indicates the bioactivity of nanocomposite pastes. The leaching resistance of the pastes was evaluated so that by adding GPTMS to the paste, the leaching resistance of the gelatin-containing pastes was improved, while the maximum mixed viscosity of all pastes reached more than 105 Pa.s, the rheological behavior of gelatin-containing pastes. Regularly, the injectability of chitosan-containing pastes was drastically reduced due to the fuzzy separation phenomenon, and the storage modulus of all pastes in the range was 0.1-1000 S-1 times larger than its dissipation modulus. With increasing concentration of GPTMS, the mixed viscosity increased again. In BG2 pastes, with increasing GPTMS value, the mixed viscosity in the chitosan-containing paste increased from Pa.s 6.09 x 104 to 1.14 x 105. In gelatin-containing paste, only the mixed viscosity increased from Pa.s 4.06 x 104 to 3.51 x 105 increased. While the cohesion of the structure increased with the addition of magnesium, the formation of calcite was generally controlled so that after 14 days of immersion in SBF solution, the calcite was completely dissolved and turned into apatite. Mechanical strength is increased by adding 10 wt.% or 20 wt.% by weight of GPTMS. In addition, the polymers did not increase degradation because the weight loss was> 10% after 30 days under physiological conditions. BG2-gelatin-20 wt.% GPTMS composites showed the highest compressive strength (4.8 ± 0.5 MPa) compared to 100% BG control (1.9 ± 0.1 MPa). Cell compatibility with human mesenchymal stem cells (hMSC), osteoblasts and endothelial cells was demonstrated. The presence of 20 wt.% GPTMS causes antibacterial properties and thus prevents joint pathogens of Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis. Finally, hMSC ossification was successfully supported in a 3-D model demonstrated by alkaline phosphatase release and expression of osteogenic genes. In general, composites made of bioactive glass, chitosan solution, gelatin solution and GPTMS can be used as bone substitutes. Of course, bioactivity, injectability and leaching resistance in these composites depend on the composition, type of polymer solution and concentration of GPTMS.

شيشه زيست فعال , تزريق پذيري , نانوكامپوزيت , ژلاتين , كايتوسان

GPTMS