عنوان پایان‌نامه
بررسی تاثیر زئولیت نانو ساختار بر خواص مکانیکی زیست ماده های مورد استفاده در مهندسی بافت استخوان
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - زیست پزشکی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 301890;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76586;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 301890;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76586
- تاریخ دفاع
- ۲۸ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- بهمن محمدخانی پردنجانی
- استاد راهنما
- هادی تابش
- چکیده
- ژلاتین و بتا‌ـ‌تری کلسیم‌فسفات (?-TCP) از شناخته شده‌ترین زیست‌ماده‌های مورد استفاده در مهندسی بافت استخوان هستند. علی‌رغم ویژگی‌های مطلوب داربست کامپوزیتی حاصل از این زیست‌ماده‌ها، خواص مکانیکی ضعیف و تخریب‌پذیری بالایی دارند در نتیجه کاربرد آن‌ها را محدود کرده است. با توجه به خصوصیات منحصربه فرد زئولیت نانوساختار ZSM-5 از قبیل دارا بودن خواص مکانیکی قابل توجه، نرخ پایین تخریب‌پذیری و ویژگی‌های زیست‌سازگاری بسیار مطلوب، بر آن شدیم که برای اولین بار در دنیا تحقیقاتی در زمینه‌ی تاثیر این زیست‌ماده در داربست‌های ژلاتین و ?-TCP داشته باشیم. نمونه داربست‌های متخلخل از نوع ZSM-5/?-TCP/Gelatin به کمک روش خشکایش انجمادی مطابق الگو‌های نرم‌افزار طراحیDesign Expert آزمایش به طور موفق، سنتز شدند. میزان تخلخل این داربست‌ها از %25 تا %77 متغیر بوده و بررسی داده‌ها نشان می‌دهد که ژلاتین بیشترین اثر مثبت را بر روی میزان تخلخل داشته است. با انجام آنالیز استحکام فشاری، مدول یانگ نیز از MPa23 تا MPa71 تغییر کرده و زئولیت نانو ساختار موثرترین عامل در تغییر این مدول بوده است. نتایج تست‌های تخریب‌پذیری نشان می‌دهد که داربست‌های کامپوزیتی بعد از 6 هفته به مقدار %19 تا 51% تخریب‌پذیری داشته و ?-TCP بیشترین اثر را بر روی این عامل داشته است. علاوه بر این، آزمایشات نشان می‌دهند که درصد زئولیت نانوساختار ZSM-5 در داربست‌های کامپوزیتی رابطه مستقیمی با نرخ تخریب‌پذیری آن‌ها دارد. تست‌های تخریب‌پذیری با استفاده از برنامه COMSOL شبیه‌سازی شده و اعتبارسنجی نتایج این شبیه‌سازی توسط داده‌های آزمایشگاهی اثبات گردید. حالت بهینه‌ی داربست کامپوزیتی مورد نظر به صورت نمونه‌ای با درصد وزنی 0/99 گرم ژلاتین، 0/5 گرم ?-TCP و 0/5 گرم ZSM-5 (G0.99, T0.5, Z0.5) با استفاده از بررسی نتایج کلی آزمایشات در برنامه طراحی آزمایش تعیین شد. و با سنتز این نمونه و گرفتن خواص مربوطه، نتایج در محدوده‌ی پیش‌بینی شده توسط نرم‌افزار طراحی آزمایش قرار گرفت. نتایج تست‌های کششی نیز نشان داد که نمونهی بهینه دارای بالاترین استحکام کششی و مدول یانگ بوده است. الگوی XRD گرفته شده از نمونه‌ها وجود دو فاز ?-TCP و ZSM-5 را در داربست‌های کامپوزیتی تایید می‌نماید و نشان داد که با اضافه شدن ژلاتین میزان بلورینگی داربست‌های کامپوزیتی کاهش یافته است. تست FTIR نیز گروه‌های عاملی موجود در ساختار کامپوزیت‌ها که مربوط به Gelatin، ?-TCP و ZSM-5 بود را نشان داد. نتایج حاصل از تست MTT و SEM بعد از 3، 7 و 14 روز کاشت سلول بر روی داربست‌ها موید مناسب بودن زئولیت نانو ساختار ZSM-5 به عنوان بستری برای رشد سلول است. بنابراین با در نظر گرفتن نتایج حاصل از این پژوهش می‌توان این‌گونه استنتاج کرد که زئولیت سبب بهبود و ارتقای خواص مکانیکی داربست‌های کامپوزیتی مهندسی بافت استخوان شده است و همچنین تاثیر قابل توجهی بر روی درصد تخلخل این داربست‌ها نداشته درحالی که نرخ تخریب‌پذیری داربست‌ها را کاهش می‌دهد. با بررسی خصوصیات بدست آمده می‌توان گفت که نمونهی بهینه معرفی شده متناسب با خصوصیات داربست خارج سلولی (ECM) بافت استخوان اسفنجی می‌باشد و انتخاب مناسبی در مهندسی بافت این نوع استخوان خواهد بود. مهمترین دستاورد حاصل از این پژوهش معرفی و به‌کارگیری موثر زیست‌ماده‌ی زئولیت نانوساختار ZSM-5 به منظور رفع چالش‌های خواص مکانیکی داربست‌های مورد استفاده در مهندسی زیست پزشکی می‌باشد.
- Abstract
- Gelatin and beta-tricalcium phosphate (?-TCP) are among the most recognizable biomaterials that used in bone tissue engineering. Despite the favorable characteristics of these biomaterials, degradation rate and mechanical properties of these materials are weak and therefore limited their applications. Due to the unique characteristics of nanostructured zeolite ZSM-5 such as remarkable mechanical properties, low rates of degradation and high biocompatibility, we proposed to investigate on the impact of this biomaterial in gelatin and ?-TCP scaffolds. Porous scaffolds samples of ZSM-5/?-TCP/Gelatin utilizing freeze drying technique were synthesized successfully according to the experimental design software model (Design-Expert®). The porosity of synthesized scaffolds are variable from 25% to 77% and the study of data shows that gelatin has the most positive impact on the amount of porosity. The analysis of compressive strength resulted in different Young's modulus from 23 MPa to 71 MPa and nano-structured zeolite is the most effective factor in chenging this module. The results of degradation tests show that the composite scaffolds degrade from 19% to 51% after 6 weeks and ?-TCP has the greatest effect on this factor. In addition, investigations reveal that the percentage of zeolite in the composite scaffolds has a direct relation with their degradation rates. Degradation tests was also simulated by COMSOL? software and the results of this simulation was validated with experimental data. Considering all results, Design-Expert® proposed the optimized composite scaffold as 0.99 wt% g of gelatin, 0.5 g of ?-TCP and 0.5 g of ZSM-5 (G0.99, T0.5, Z0.5). In addition, tensile test results show that this optimum composite scaffold has the highest tensile strength and Young's modulus. XRD pattern taken from samples confirms composite scaffolds contain both ZSM-5 and ?-TCP phases; and also, shows that the crystallinity decreases by adding gelatin. FTIR investigation demonstrate all functional groups in the composite structure from Gelatin, ?-TCP and ZSM-5. The results of MTT assay and SEM after 3, 7 and 14 days of cell culture on a scaffold of nanostructure of ZSM-5 zeolite confirms its suitability as a platform for cell growth. Thus, taking into account the results of this study may conclude that zeolite could improve the mechanical properties of the composite scaffolds for bone tissue engineering. It has also a significant impact on the porosity of the scaffolds while reducing the rate of degradation. It can be concluded that the optimum sample matches best with the characteristics of cancellous bone ECM (extra-cellular matrix). The most important outcome of this research in the field of biomedical engineering is the introduction and affectivity of nanostructured zeolite ZSM-5 in order to bridge the challenges of biomaterial mechanical properties. Keywords: Nanostructure Zeolite ZSM-5, ?-TCP, Gelatin, Bone Tissue Engineering
