امکان سنجی و بررسی ساخت داربست کاپا-کاراگینان/نانوالیاف فیبروئین ابریشم به منظور استفاده در مهندسی بافت استخوان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی کامپیوتر، دانشگاه گلستان، گرگان، گلستان، ایران

3 دانشکده فناوری های نوین،دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایران

4 اداره کل فنی و حرفه ای استان گلستان، گرگان، ایران

چکیده

آسیب استخوانی یکی از چالش­های علم پزشکی محسوب می­شود که هر ساله هزینه زیادی را در دنیا برای درمان به خود اختصاص داده است. امروزه، ساخت داربست مناسب به منظور جایگزینی برای بافت از دست رفته با هدف بازسازی، ترمیم و بازگرداندن عملکرد بافت، جهت درمان آسیب استخوانی به طورگسترده­ای مورد بررسی قرار گرفته است. ترکیب پروتئین-پلی ساکارید در داربست­ها با قابلیت ترغیب تشکیل آپاتیت استخوانی یک روش قابل قبول برای شبیه­سازی محیط خارج سلولی استخوانی شده است. در این مقاله، داربست­های جدید کامپوزیتی زیست فعال، بر پایه پلی ساکارید کاپا-کاراگینان و نانوالیاف فیبرویین به منظور استفاده در کاربردهای بازسازی استخوانی، سنتز و مشخصه­یابی شده است. نانو الیاف فیبرویین با روش الکتروریسی تهیه و به عنوان فاز تقویت کننده در مقادیر مختلف به محلول کاپا-کاراگینان 5/0 % وزنی اضافه شده و داربست­های سه بعدی توسط فریز-درایر ساخته شده­اند. جهت ارزیابی داربست پیشنهادی، روش­های مشخصه یابی مختلفی به منظور آنالیز ساختاری، مورفولوژی، مکانیکی و میزان آپاتیت تشکیل شده بر روی سطح داربست­ها، به کار گرفته شده است و با نمونه کاپا-کاراگینان خالص، مورد مقایسه قرار گرفته­اند. نتایج حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی وجود ساختار متخلخل با ارتباط درونی و درصد تخلخل و میانگین اندازه حفرات مناسب با سلول­های استخوانی را نشان داده است. علاوه بر این، نتایج آنالیز طیف سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس از داربست­های قرار گرفته در محلول شبیه­سازی شده بدن، تشکیل لایه­ای از کلسیم فسفات بر روی سطح داربست­ها را نشان داده است. همچنین نتایج حاصل از آزمون اندازه­گیری میزان سمیت سلولی، زنده­مانی بالای 90% برای تمامی داربست­ها، زیست­سازگاری و عدم سمیت داربست­ها را به اثبات رسانده است و چسبندگی و لنگراندازی مناسب سلول­ها بر روی سطح داربست­ها که لایه­ای سلولی ایجاد کرده اند، مشاهده گردیده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Fabrication and Synthesis of Cappa-Carrageenan/Silk Fibroin Nanofibers Scaffolds for Bone Tissue Engineering

نویسندگان [English]

  • Fahimeh Roshanfar 1
  • Arash Mazidi 2
  • alireza noori 3
  • Farideh Roshanfar 4
1 Faculty of new Sciences and technologies, Department of Life Science Engineering, University of Tehran
2 Department of Computer Engineering, Golestan University, Gorgan, Golestan, Iran.
3 Department of Tissue Engineering and Applied Cell Sciences, Faculty of Advanced Technologies in Medicine, Tehran University of Medical Sciences, Tehran
4 Technical and Vocational Department, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Bone defect is one of the important challenges of medical science in the all world. Today, the synthesis of a suitable scaffold for replace the lost tissue with the aim of repairing, recovering and restoring tissue function has been developed. The combination of protein-polysaccharide is a promissing approach in scaffolding with the ability to induce bone like apatite formation. In this paper, new bioactive composite scaffolds based on kappa-carrageenan/fibrobin nanofibers were synthesized and characterized for bone regeneration applications. The fibroin nanofibers were prepared by electrospinning, then the chopped electrospun nanofibers were incorporated to Kappa-carrageenan solution (0.5% w/v) in different ratios as a reinforcer. Finally, 3D scaffolds were fabricated by Freeze-drying. In order to evaluate the fabricated scaffold, different characterization methods have been applied to analyze structure, morphology, mechanical strength and the amount of apatite formation on the surface of the scaffolds that have been compared with the pure Kappa-Carrageenan sample. The results of scanning electron microscopy showed the highly porous structure with the interconnected porous. The porosity percentage and average pore size of the scaffolds were suitable for bone cells implantation and propagation. In addition, Energy Dispersive X ray (EDS) technique has proved Precipitation of Ca-P on the surfaces. The biocompatibility evaluation of fabricated scaffolds was done using MTT indirect assay. The results indicated no toxicity effects on cultured MG-63 osteoblast-like cells. In addition, the MG-63 osteoblast-like cells exhibited good adhesion behavior in direct contact with the scaffolds and cell attachment was observed by SEM images.

کلیدواژه‌ها [English]

  • biocomposite
  • calcium phosphate
  • K-Carrageenan
  • Silk Fibroin Nanofiber
  • Bone tissue engineering

 1.        Blom A. (V) Which scaffold for which application?. Current Orthopaedics. 2007 Aug 1;21(4):280-7.

  1. Yuan J, Zhang WJ, Liu G, Wei M, Qi ZL, Liu W, Cui L, Cao YL. Repair of canine mandibular bone defects with bone marrow stromal cells and coral. Tissue Engineering Part A. 2010 Jan 27;16(4):1385-94.
  2. Wang JL, Zin YT, Tzeng CC, Lin CI, Lin SW, Chang GL. The assay of bone reaction after implantation of calcium sulfate and a composite of calcium sulfate and calcium phosphate. Journal of Medical and biological Engineering. 2003 Dec 1;23(4):205-12.
  3. مجاهدیان، م.، امکان سنجی تشکیل لایه ی کلسیم فسفات بر روی بستری از کیتوسان سولفونه و بررسی رشد سلول های استئوبلاست بر روی آن، کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران، تهران، 1393.
  4. Lanza,R., Langer,R., and Vacanti,J., Principle of Tissue Engineering, Elsevier Academi press, Third ed. P. 6, 2007.
  5. Puppi D, Chiellini F, Piras AM, Chiellini E. Polymeric materials for bone and cartilage repair. Progress in Polymer Science. 2010 Apr 1;35(4):403-40.
  6. Peppas NA, Hilt JZ, Khademhosseini A, Langer R. Hydrogels in biology and medicine: from molecular principles to bionanotechnology. Advanced materials. 2006 Jun 6;18(11):1345-60.
  7. Deng J, She R, Huang W, Dong Z, Mo G, Liu B. A silk fibroin/chitosan scaffold in combination with bone marrow-derived mesenchymal stem cells to repair cartilage defects in the rabbit knee. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2013 Aug 1;24(8):2037-46.
  8. Hardy JG, Römer LM, Scheibel TR. Polymeric materials based on silk proteins. Polymer. 2008 Sep 23;49(20):4309-27.

10. Campo VL, Kawano DF, da Silva Jr DB, Carvalho I. Carrageenans: Biological properties, chemical modifications and structural analysis–A review. Carbohydrate Polymers. 2009 Jun 10;77(2):167-80.

11. Yiu, H., Handbook of food science, technology, and engineering. CRC Press. pp. 528–. ISBN 978-1-57444-552-7. Retrieved 10 December 2011.

  1. Lim YM, Gwon HJ, Choi JH, Shin J, Nho YC, Jeong SI, Chong MS, Lee YM, Kwon IK, Kim SE. Preparation and biocompatibility study of gelatin/kappa-carrageenan scaffolds. Macromolecular research. 2010 Jan 1;18(1):29-34.

13. Li L, Ni R, Shao Y, Mao S. Carrageenan and its applications in drug delivery. Carbohydrate polymers. 2014 Mar 15;103:1-1.

  1. روشن فر،ف.، امکان سنجی و ارزیابی تشکیل کلسیم فسفات بر روی داربست فیبرویین ابریشم-کاراگینان حاوی نانوالیاف فیبرویین به منظور استفاده در مهندسی بافت استخوان، کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران، تهران، 1394

15. Nourmohammadi J, Roshanfar F, Farokhi M, Nazarpak MH. Silk fibroin/kappa-carrageenan composite scaffolds with enhanced biomimetic mineralization for bone regeneration applications. Materials Science and Engineering: C. 2017 Jul 1;76:951-8.

16. Kokubo T, Takadama H. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?. Biomaterials. 2006 May 1;27(15):2907-15.

17. Mirahmadi F, Tafazzoli-Shadpour M, Shokrgozar MA, Bonakdar S. Enhanced mechanical properties of thermosensitive chitosan hydrogel by silk fibers for cartilage tissue engineering. Materials science and engineering: c. 2013 Dec 1;33(8):4786-94.

  1. Reignier J, Huneault MA. Preparation of interconnected poly (ε-caprolactone) porous scaffolds by a combination of polymer and salt particulate leaching. Polymer. 2006 Jun 14;47(13):4703-17.
  2. Gomes,M.E., A bone tissue engineering strategy based on starch scaffolds and bone marrow cells cultured in a flow perfusion bioreactor, 2004.
  3. Hadisi Z, Nourmohammadi J, Mohammadi J. Composite of porous starch-silk fibroin nanofiber-calcium phosphate for bone regeneration. Ceramics International. 2015 Nov 30;41(9):10745-54.