ارزیابی خواص ساختاری و رفتار سلولی داربست الکتروریسی‌شده آلیاژی پلی(هیدروکسی‌بوتیرات)/کیتوسان به منظور کاربرد در مهندسی بافت غضروف

نوع مقاله : مقاله های پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه بیومواد، نانوتکنولوژی و مهندسی بافت، دانشکده‌ی فناوری های نوین پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار، گروه بیومواد، نانوتکنولوژی و مهندسی بافت، دانشکده‌ی فناوری های نوین پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران

3 استادیار، بانک سلولی ایران، انستیتو پاستور ایران، تهران، ایران

4 استاد، گروه علوم تشریحی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

مقدمه: دستیابی به داربستی با خواص مطلوب، یکی از چالش‌های پیش روی مهندسی بافت می‌باشد. پلی‌هیدروکسی بوتیرات (PHB یا Polyhydroxybutyrate) پلیمری است که به دلیل داشتن خواصی مناسب نظیر زیست‌سازگاری خوب و استحکام مکانیکی بالا در مقایسه با سایر پلیمرها، به تازگی مورد توجه محققین قرار گرفته است. البته، خواصی نظیر آب‌دوستی کم و تردی آن باعث می‌شود تا به صورت خالص برای ساخت داربست مهندسی بافت غضروف مناسب نباشد. از جمله راه‌کارهای حل این مشکل، آلیاژسازی آن با سایر پلیمرهاست. هدف از انجام این پژوهش، تهیه‌ی داربست‌های الکتروریسی شده آلیاژی پلی‌هیدروکسی بوتیرات/کیتوسان و بررسی خواص ساختاری و رفتار سلولی آن‌ها بود.روش‌ها: ابتدا محلول‌های پلیمری PHB با استفاده از حلال تری‌فلورواستیک اسید (TFA یا Trifluroacetic acid) تهیه و الکتروریسی شد. پس از بهینه‌سازی پارامترها، جهت بهبود خاصیت آب‌دوستی و استحکام مکانیکی، کیتوسان با درصدهای مختلف به محلول پلیمری اضافه و الکتروریسی شد. به منظور ارزیابی داربست‌ها، از تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی (SEM یا Scanning electron microscope)، آزمون استحکام کششی، آنالیز طیف‌سنجی با پرتو مادون قرمز به روش تبدیل فوریه (FT-IR یا Fourier transform infrared)، تعیین زاویه‌ی تماس، و تخلخل‌سنجی استفاده شد. سپس با توجه به نتایج، داربست‌های حاوی 15 و 20 درصد کیتوسان به عنوان داربست‌های بهینه انتخاب شد و تحت آزمون‌های سلولی با استفاده از سلول‌های کندروسیت خرگوش قرار گرفت.یافته‌ها: تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان داد که بهترین داربست، از نظر یک‌نواختی قطر الیاف، با استفاده از محلول PHB با غلظت 9 درصد وزنی و با ولتاژ 21 کیلوولت و در فاصله‌ی 15 سانتی‌متری به دست می‌آید؛ داربست‌های حاوی 10، 15 و 20 درصد کیتوسان الیاف یکنواخت‌تری نسبت به داربست 5 درصد داشتند. با توجه به نتایج سایر آزمون‌ها مشخص شد که نمونه‌های حاوی 15 و 20 درصد کیتوسان، از خواصی بهینه برخوردارند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان‌دهنده‌ی چسبندگی مناسب سلول‌های کندروسیت بر روی این داربست‌ها بود.نتیجه‌گیری: با افزودن کیتوسان به PHB می‌توان خواص مکانیکی و بیولوژیک و آب‌دوستی داربست‌های PHB را بهبود بخشید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluating the Structural Properties and Cellular Behavior of Electrospun Poly(hydroxybutyrate)/Chitosan Blend Scaffolds for Cartilage Tissue Engineering

نویسندگان [English]

  • Davoud Sadeghi 1
  • Saeed Karbasi 2
  • Shahin Bonakdar 3
  • Shahnaz Razavi 4
1 Department of Biomaterials and Tissue Engineering, School of Advanced Medical Technology, Isfahan University of Medical Sciences, Isfahan, Iran
2 Associate Professor, Department of Biomaterials and Tissue Engineering, School of Advanced Medical Technology, Isfahan University of Medical Sciences, Isfahan, Iran
3 Assistant Professor, National Cell Bank of Iran, Pasteur Institute of Iran, Tehran, Iran
4 Professor, Department of Anatomical Sciences, School of Medicine, Isfahan University of Medical Sciences, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Background: Achieving to a scaffold with suitable properties is a current challenge in tissue engineering. Polyhydroxybutyrate (PHB) is a polymer which has attracted attentions due to have favorable properties such as good biocompatibility and relative high mechanical properties; but, its hydrophobicity and brittleness are not suitable for cartilage tissue engineering scaffold fabrication. Blending with other polymers is a strategy to solve this problem. This study aimed to prepare electrospun PHB/chitosan (CTS) blend scaffold and to investigate its structural properties and cellular behavior.Methods: First, polymeric solutions of PHB in trifluroacetic acid (TFA) were electrospun and after optimization of parameters, various percentages of chitosan with aim to improve its hydrophilicity and mechanical properties were added to polymeric solution and electrospun. To characterize prepared scaffolds, scanning electron microscopy (SEM), tensile strength test, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), contact angle measurement, and porosimetry were performed. According to the obtained results, the scaffold containing 15 and 20 percent of chitosan were selected as the optimized scaffolds and were examined for rabbit chondrocyte cell adhesion test.Findings: Scanning electron microscopy images showed that electrospinning of the solution with PHB of 9% weight in 21 kilovolt at 15 cm produced the most uniform fibers; the scaffolds containing 10, 15 and 20 percent of CTS have more uniform fibers than the scaffold containing 5 percent. Finally, based on the results of other experiments, the scaffolds containing 15 and 20 percent of chitosan were identified as optimized scaffolds. SEM images showed good chondrocyte cell adhesion on these scaffolds.Conclusion: Addition of chitosan to PHB, can improve its mechanical and biological properties and hydrophilicity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cartilage tissue engineering
  • Polyhydroxybutyrate
  • Chitosan
  • Electrospinning

مراجع

  1. Johnstone B, Alini M, Cucchiarini M, Dodge GR, Eglin D, Guilak F, et al. Tissue engineering for articular cartilage repair--the state of the art. Eur Cell Mater 2013; 25: 248-67.
  2. Tuli R, Li WJ, Tuan RS. Current state of cartilage tissue engineering. Arthritis Res Ther 2003; 5(5): 235-8.
  3. Portocarrero G, Collins G, Livingston Arinzeh T. Challenges in cartilage tissue engineering. J Tissue Sci Eng 2013; 4(1): e120.
  4. Lanza R, Langer R, Vacanti J. Principles of tissue engineering. New York, NY: Academic Press; 2011.
  5. O'Brien FJ. Biomaterials and scaffolds for tissue engineering. Materials Today 2011; 14(3): 88-95.
  6. Gardin C, Ferroni L, Favero L, Stellini E, Stomaci D, Sivolella S, et al. Nanostructured biomaterials for tissue engineered bone tissue reconstruction. Int J Mol Sci 2012; 13(1): 737-57.
  7. Chen GQ, Wu Q. The application of polyhydroxyalkanoates as tissue engineering materials. Biomaterials 2005; 26(33): 6565-78.
  8. Williams SF, Martin DP, Horowitz DM, Peoples OP. PHA applications: addressing the price performance issue: I. Tissue engineering. Int J Biol Macromol 1999; 25(1-3): 111-21.
  9. Misra SK, Valappil SP, Roy I, Boccaccini AR. Polyhydroxyalkanoate (PHA)/inorganic phase composites for tissue engineering applications. Biomacromolecules 2006; 7(8): 2249-58.
  10. Doyle C, Tanner ET, Bonfield W. In vitro and in vivo evaluation of polyhydroxybutyrate and of polyhydroxybutyrate reinforced with hydroxyapatite. Biomaterials 1991; 12(9): 841-7.
  11. Luklinska ZB, Schluckwerder H. In vivo response to HA-polyhydroxybutyrate/ polyhydroxyvalerate composite. J Microsc 2003; 211(Pt 2): 121-9.
  12. Godoi FC, Pereira NR, Rocha SCS. Analysis of the drying process of a biopolymer (poly-hydroxybutyrate) in rotating-pulsed fluidized bed. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 2015; 50(7): 623-9.
  13. Badwan A, Al-Remawi M. Chitosan-silicon dioxide coprecipitate and use as excipient in solid dosage forms [Google Patents: CA 2616470 A1]. 2006.
  14. Correia DM, Ribeiro C, Ferreira JCC, Botelho G, Ribelles JLG, Lanceros-Mendez S, et al. Influence of electrospinning parameters on poly(hydroxybutyrate) electrospun membranes fiber size and distribution. Polym Eng Sci 2014; 54(7): 1608-17.
  15. Tong HW, Wang M. Electrospinning of Poly(Hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) Fibrous Scaffolds for Tissue Engineering Applications: Effects of Electrospinning Parameters and Solution Properties. J Macromol Sci, Part B 2011; 50(8): 1535-58.
  16. Sun K, Li ZH. Preparations, properties and applications of chitosan based nanofibers fabricated by electrospinning. Express Polymer Letters 2011; 5(4): 342-61.
  17. Daranarong D, Chan RTH, Wanandy NS, Molloy R, Punyodom W, Foster JR. Electrospun polyhydroxybutyrate and poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) Composites as Nanofibrous Scaffolds. BioMed Research International 2014; 2014(1): 12.
  18. Ikejima T, Yagi K, Inoue Y. Thermal properties and crystallization behavior of poly(3-hydroxybutyric acid) in blends with chitin and chitosan. Macromol Chem Phys 1999; 200(2): 413-21.
مجله دانشکده پزشکی اصفهان
دوره 33، شماره 349 - شماره پیاپی 349
مهر و آبان 1394
صفحه 1441-1458

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 04 مهر 1393
  • تاریخ بازنگری: 01 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش: 17 فروردین 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار