طراحی، ساخت و مشخصه یابی داربست نانوکامپوزیتی لیفی پلی کاپرولاکتون-فورستریت برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان

تلاش های زیادی به منظور بکارگیری مهندسی بافت در جهت ترمیم و بازسازی اعضای مختلف بدن انجام شده است. در این میان، استفاده از مهندسی بافت برای بازسازی عیوب و نواقص استخوانی به منظور تقلید از مکانیزم طبیعی بدن در ترمیم بافت، از اهمیت زیادی برخوردار است. با توجه به ساختار لیفی نانوکامپوزیتی زمینه استخوان، ساخت داربست نانوکامپوزیتی زمینه پلیمری با پرکننده نانومتری می تواند در جهت بهبود و التیام سریعتر عضو بیمار موثر باشد. امروزه، فرایند الکتروریسی یکی از روش های موثر برای ساخت داربست های نانولیفی است. بر این اساس، هدف از پژوهش حاضر طراحی، ساخت و مشخصه یابی داربست های لیفی نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون- فورستریت با استفاده از فرایند الکتروریسی است. در این پژوهش، ابتدا با ساخت داربست خالص پلی کاپرولاکتون، پارامترهای مختلف فرایند الکتروریسی و محلول پلی کاپرولاکتون در جهت ایجاد ساختاری با کمترین قطر الیاف و مورفولوژی بهینه انجام شد. در ادامه، محدوده بهینه غلظت فورستریت نانومتری در زمینه پلی کاپرولاکتون با استفاده از فرایند طراحی آزمون تاگوچی، تعیین و بر اساس آن داربست پلی کاپرولاکتون-فورستریت با درصدهای مختلف فورستریت نانومتری به منظور تعیین داربست بهینه از نظر خواص مکانیکی، نرخ تخریب زیستی، زیست فعالی و زیست سازگاری، بررسی شدند. همچنین، اثرات فورستریت نانومتری بر ضریب کشسانی داربست های لیفی با استفاده از مدل های ریاضی پیش بینی شد. در ادامه به منظور بهبود توزیع یکنواخت نانوذرات فورستریت در زمینه پلی کاپرولاکتون، نانوذرات فورستریت با استفاده از فرایند شیمیایی، اصلاح سازی سطحی شده و اثرات این اصلاح سازی بر خواص فیزیکی، مکانیکی، ساختاری و بیولوژیکی داربست نهایی بررسی شد. از آنجایی که یکی از مهمترین محدودیت های پلیمرهای مصنوعی، آبدوستی ضعیف آن ها است، داربست لیفی لایه-لایه از پلی-کاپرولاکتون-فورستریت و ژلاتین با استفاده از فرایند الکتروریسی ساخته و اثرات این ساختار بر قابلیت چسبندگی و رشد سلولی، خواص مکانیکی، فیزیکی و تغییرات مورفولوژی داربست ها بررسی شد. با توجه به اثرات مفید فاکتورهای تمایز در تسریع التیام و استخوان سازی، داروی دگزامتازون در حین فرایند ساخت داربست های خالص پلی کاپرولاکتون و کامپوزیت پلی کاپرولاکتون-فورستریت، به آن ها اضافه شد و نقش نانوذرات فورستریت و نوع آرایش الیاف در داربست ساخته شده بر نرخ رهایش دارو و سینتیک آن ارزیابی شد. نتایج تحقیقات نشان داد که حضور نانوذرات فورستریت در الیاف پلی کاپرولاکتون سبب کاهش قطر الیاف و افزایش قابل توجه خواص مکانیکی داربست ها در مقایسه با پلی-کاپرولاکتون خالص شد. داربست های لیفی با الیاف جهت دار خواص مکانیکی غیریکنواختی را در دو جهت موازی و عمود بر اعمال بار از خود نشان می داد، ضمن آنکه خواص مکانیکی افزایش قابل توجهی نسبت به داربست های با الیاف تصادفی داشت. نتایج انطباق نتایج آزمایشگاهی با معادلات مرتبط نشان داد که در بین 4 مدل مورد بررسی برای پیش بینی رفتار مکانیکی، مدل نارکیس بیشترین انطباق را با خواص مکانیکی بدست آمده دارد. حضور نانوذرات فورستریت در زمینه پلی-کاپرولاکتون نه تنها سبب افزایش نرخ تخریب و جذب آب در مقایسه با پلی کاپرولاکتون خالص شد، بلکه سبب القای زیست فعالی به سیستم شد. حضور نانوذرات فورستریت سبب بهبود چشمگیر قابلیت چسبندگی سلول های پیش ساز استخوانی و قابلیت مینراله شدن بافت استخوانی شد. فرایند استری کردن سطحی نانوذرات سبب بهبود سازگاری پلی کاپرولاکتون با نانوذرات شده که نتیجه آن توزیع یکنواخت نانوذرات در زمینه بود که سبب بهبود چشمگیر خواص مکانیکی داربست ها شد. توسعه داربست لیفی لایه-لایه پلی کاپرولاکتون-فورستریت/ژلاتین سبب شد که ضمن افزایش اندازه حفرات در حدود 40 میکرومتر، زاویه تماس با آب به طور قابل توجهی کاهش پیدا کند. همچنین حضور ژلاتین سبب بهبود قابل توجه چسبندگی، رشد و تکثیر سلول های بنیادی پالپ دندان شیری (shed) شد. علاوه بر این، افزایش اندازه حفرات سبب شد امکان رشد سلول در لایه های پایین تر از سطح داربست نیز فراهم آید. در ادامه نتایج نشان می دهد که نرخ رهایش و مکانیزم رهایش دگزامتازون بارگذاری شده در داربست های لیفی پلی کاپرولاکتون-فورستریت تابع نحوه آرایش الیاف و حضور نانوذرات فورستریت بود. به طور کلی حضور نانوذرات فورستریت سبب افزایش قابل توجه حجم داروی رهایش یافته از داربستها شد، ضمن آن که مکانیزم رهایش آن ها از انتشار به ترکیبی از انتشار و تخریب داربست تغییر کرد. همچنین با ارزیابی معادلات تجربی گوناگون حاکم بر سسیستم های رهایش دارو، مشاهده شد که در حالی که رهایش دگزامتازون از داربست لیفی پلی کاپرولاکتون خالص با معادله هیگوچی تطابق خوبی دارد، حضور نانوذرات فورستریت سبب می شود که معادله اصلی حاکم بر سیستم رهایش داروی دگزامتازون بر مبنای معادله درجه اول باشد. در نهایت، نتایج نشان داد که ترکیبی از ترکیب شیمیایی داربست، نحوه آرایش الیاف و رهایش دگزامتازون از سیستم سبب القای قابلیت تمایز به سلولهای shed شد. بر این اساس، داربست لیفی پایه پلی کاپرولاکتون-فورستریت با خواص مکانیکی، فیزیکی و زیستی قابل کنترل می تواند داربست مناسبی جهت ترمیم عیوب استخوانی باشد.