ساخت و ارزیابی داربست نانوکامپوزیتی الکتروریسی شده پلی کاپرولاکتون/نانولوله کربنی آمین دار شده حاوی سلول های بنیادی مزانشیمی جهت کاربرد در مهندسی بافت سخت

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست فناوری، گروه زیست فناوری پزشکی، تهران، ایران

چکیده

مهندسی بافت استخوان با هدف ترمیم ضایعات و آسیب های استخوانی در تلاش است تا با بهبود داربست های سنتزی بتواند شرایط مشابه ماتریس سلولی را برای رشد و تکثیر بهتر سلولهای بدن فراهم کند. از این رو طراحی یک داربست مناسب با خواص زیستی و مکانیکی بهینه می تواند نقش مهمی را در این زمینه ایفا کند. در این تحقیق درصد‌های وزنی مختلف نانو لوله‌های کربن تک دیواره عامل دار شده با گروه آمین (SWCNTs-amine) با درصدهای وزنی 0، 0.1، 0.2 و 0.5 به پلی‌کاپرولاکتان (PCL) به منظور افزایش خواص زیستی و مکانیکی داربست اضافه و نانو فیبر‌های کامپوزیتی PCL-SWCNTs با روش الکتروریسی تهیه شد. چسبندگی، تکثیر، تمایز و زنده مانی سلول‌های بنیادی مزانشیمال مشتق شده از مغز استخوان موش (BMSCs) بر روی داربست‌ها توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری (SEM)، آزمون های MTT، live-dead و آلکالین فسفاتاز بررسی شد. مورفولوژی، خواص مکانیکی و زیست فعالی داربست‌ها نیز با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، آزمون استحکام کششی و آزمون زیست فعالی در محیط شبیه سازی شده بدن (SBF) مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که نانوکامپوزیت حاوی 2/0 درصد نانوله کربنی داری بیشترین میزان استحکام کششی در حدود 10 مگا پاسکال است که در مقایسه با نمونه الکتروریسی شده PCL خالص، افزایش قابل توجهی داشته است. همچنین هیچ کدام از نمونه ها پس از گذشت 1، 3 و 5 روز سمیتی از خود نشان ندادند. بعلاوه، بررسی های صورت گرفته با SEM نشان داد که استفاده از نانو لوله های کربن تک دیواره، چسبندگی و نفوذ سلولهای BMSC بر روی الیاف داربست را افزایش داده است. این افزایش در نمونه نانوکامپوزیتی حاوی 5/0 درصد وزنی نانولوله کربنی مشهودتر بود. همچنین نتایج آزمون آلکالین فسفاتاز بهبود تکثیر و تمایز سلول‌ها را بر روی داربست های حاوی نانوذره نسبت به PCL خالص نشان داد. از نتایج حاصل می‌توان دریافت که نانوفیبرهای الکتروریسی شده با درصدهای وزنی بهینه می‌توانند کاندیدهای مناسبی جهت کاربرد در مهندسی بافت استخوان باشند.                                             

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Preparation and Evaluation of Polycaprolactone / Amine Functionalized Carbon Nanotube Electrospun Nanocomposite Scaffold Containing Mesenchymal Stem Cells for Use in Hard Tissue Engineering

نویسندگان [English]

  • Mohammad hadi Tohidlou
  • Seyedeh Sara Shafiei
  • Faeze Shiralipoor
Department of medical biotechnology, National institute of Genetic Engineering and Biotechnogy, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Abstract Bone tissue engineering with the aim of repairing bone defects and bone injuries has been trying to design an appropriate scaffold with optimal mechanical and biological properties that can play an important role in this regard. In this study, different amounts of amine-functionalized single-walled carbon nanotubes (SWCNTs-amine) with the 0, 0.1, 0.2 and 0.5 weight percentages (%wt) were added to polycaprolactone, to enhance biological and mechanical properties of scaffolds, then PCLSWCNTs
composite nanofibers were prepared by electrospinning method. The attachment, proliferation,  differentiation and growth of rat bone marrow derived mesenchymal stem cells (BMSCs) on the scaffolds were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), MTT, live-dead and alkaline phosphatase activity assays. The morphology and mechanical properties of the scaffolds, using the SEM and tensile strength test, were characterized and the bioactivity of the scaffolds in simulated body fluid (SBF) was assessed. The results indicated that PCL-SWCNTs 0.2 wt. % had the highest tensile strength (about 10 MPa) and showed a significant increase as compared with the pure PCL. Moreover, no toxicity was reported after 1, 3 and 5 days after cell seeding on scaffolds. In addition, surveys carried out by SEM showed that the use of single-walled carbon nanotubes, had promoted cell attachment on the scaffold fibers. This increase was more considerable in PCL-SWCNTs 0.5 wt. %. Furthermore, alkaline phosphatase activity demonstrated enhanced proliferation and differentiation of cells on scaffolds containing nanoparticles in comparison with the pure PCL. It is concluded that electrospun SWCNTs/PCL nanofibers with the optimum concentration can be a good candidate for bone tissue engineering applications.  

کلیدواژه‌ها [English]

  • polycaprolactone
  • Single-walled carbon nanotubes
  • Electrospinning
  • Nanocomposite
  • Bone tissue engineering
  1. Costa-Pinto, A.R., R.L. Reis, and N.M. Neves, Scaffolds based bone tissue engineering: the role of chitosan. Tissue Engineering Part B: Reviews, 2011. 17(5): p. 331-347.
  2.             Mow, V.C. and R. Huiskes, Basic orthopaedic biomechanics & mechano-biology2005: Lippincott Williams & Wilkins.
  3.  Oryan, A., et al., Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions. Journal of orthopaedic surgery and research, 2014. 9(1): p. 1.
  4. Polo-Corrales, L., Latorre-Esteves, M., & Ramirez-Vick, J. E. (2014). Scaffold design for bone regeneration. Journal of nanoscience and nanotechnology, 14(1), 15-56
  5. Abedalwafa, M., Wang, F., Wang, L., & Li, C. (2013). Biodegradable poly-epsilon-caprolactone (PCL) for tissue engineering applications: a review. Rev. Adv. Mater. Sci, 34(2), 123-140.
  6. Chao-jing, L. I., Abedalwafa, M., Fu-Jun, W., Peng, G. E., Pei-feng, C. H. E. N., & Lu, W. A. N. G. (2013). Effect of Molecular Weight of PCL on the Structure and Mechanical Properties of PCL/PET Composite Vascular Scaffold Prototype. Journal of Donghua University (Eng. Ed.) Vol, 30(5).
  7. Hutmacher, D.W., Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials, 2000. 21(24): p. 2529-2543.
  8. Mattioli-Belmonte, M., et al., Tuning polycaprolactone–carbon nanotube composites for bone tissue engineering scaffolds. Materials Science and Engineering: C, 2012. 32(2): p. 152-159.
  9.  Pan, L., et al., Multiwall carbon nanotubes/polycaprolactone composites for bone tissue engineering application. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2012. 93: p. 226-234.
  10. Kokubo,T., Takadama,H.,(2006). How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?,Biomaterials.27(15),2907-2915.
  11.  Crowder, S. W., Prasai, D., Rath, R., Balikov, D. A., Bae, H., Bolotin, K. I., & Sung, H. J. (2013). Three-dimensional graphene foams promote osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. Nanoscale, 5(10), 4171-4176.
  12. Swat, M. H., Thomas, G. L., Belmonte, J. M., Shirinifard, A., Hmeljak, D., & Glazier, J. A. (2012). Multi-scale modeling of tissues using CompuCell3D. In Methods in cell biology (Vol. 110, pp. 325-366). Academic Press.
  13. Golub, E. E., & Boesze-Battaglia, K. (2007). The role of alkaline phosphatase in mineralization. Current Opinion in Orthopaedics, 18(5), 444-448.