ارزيابي ساختاري و مكانيكي داربست گرادياني پلي كاپرولاكتون به منظور كاربرد در مهندسي بافت استخوان

Structural and Mechanical Evaluation of Polycaprolactone Scaffold with the Gradient Porous Microstructure for Bone Tissue Engineering

در داربست هاي گرادياني درصد، اندازه تخلخل و يا تركيب شيميايي مواد موجود در داربست به صورت گرادياني در آن تغيير مي كنند. اخيرا از روش هاي مختلفي جهت ايجاد گراديان در داربست استفاده شده است. اما اين روش ها محدوديت هايي از جمله گران بودن فرايند ساخت، در دسترس نبودن تجهيزات، پيچيدگي كنترل شرايط ايجاد گراديان، پيچيدگي كنترل شكل، اندازه، درصد و راه در هم بودن تخلخل ها را دارا هستند. هدف از انجام اين تحقيق ابداع روشي جديد، كارامد، ساده و با صرف كمترين هزينه به منظور ايجاد گراديان در تخلخل داربست بوده است. دو داربست همگن (نوع 1 و نوع 2) و دو داربست گرادياني (نوع 1 و نوع 2) ساخته و با هم مقايسه شدند. گراديان در راستاي شعاع داربست، با ادغام دو روش لايه به لايه و روش شستشوي ذرات تخلخل ساز ايجاد شد. از پليمر پلي كاپرولاكتون به عنوان ماده اصلي و از ميكروذرات پارافين در دو بازه اندازه ذرات 250 تا 420 ميكرومتر و 420 تا 600 ميكرومتر به عنوان تخلخل ساز استفاده شد. درصد تخلخل داربست همگن نوع يك، همگن نوع دو، گراديان نوع يك و گراديان نوع دو، به ترتيب 1.25 ± 77.5، 3.5± 61.3، 0.5 ± 74 و 4 ± 79.8 درصد به دست آمد؛ گفتني است كه درصد تخلخل مورد نياز براي رشد و زنده ماني سلول بالاي 70 درصد است. كه درصد تخلخل داربست هاي گرادياني جهت استفاده در مهندسي بافت استخوان مناسب است. همچنين ميانگين اندازه تخلخل براي دو نوع داربست همگن يك و دو به ترتيب 11.3 ± 278.48 و 14.62 ± 417.79 ميكرومتر به دست آمد كه اين اعداد نيز براي مهندسي بافت استخوان مطلوب هستند. استحكام فشاري در 80 درصد كرنش و مدول فشاري داربست ها با ترتيب ذكر شده در بالا 0.16 ± 0.16 و0.11 ±0.25 مگاپاسكال، 0.26 ± 0.20 و 0.34 ± 0.53 مگاپاسكال، 0.19 ± 0.34 و 0.43 ± 0.33 مگاپاسكال و 0.12 ±0.28 و 0.51 ± 0.17 مگاپاسكال اندازه گيري شد. پايين بودن ارقام استحكام نشان مي دهد كه استفاده از پلي كاپرولاكتون به تنهايي مناسب نبوده است. همچنين مقايسه اين نتايج نشان مي دهد كه گرادياني كردن تخلخل ها تاثير چنداني بر خواص مكانيكي داربست ها نداشته است. گراديان در تخلخل، پيوستگي كامل بين دو لايه داربست و عدم وجود فصل مشترك بين آنها در تصاوير گرفته شده توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشان داد كه روش استفاده شده در ساخت داربست گرادياني مناسب بوده است.

In gradient scaffolds, changes in porosity, pore size or chemical composition occur gradually. Recently, different methods have been applied to create gradient in the scaffolds, but they have some disadvantages such as high cost and control. The main purpose of this research was to fabricate porous gradient scaffolds by a novel, functional, simple, and low-cost method. Two homogenous scaffolds (Homog 1 and Homog 2) and two gradient scaffolds (Grad 1 and Grad 2) were fabricated and compared. Polycaprolactone scaffolds with the pore size gradient along the radial direction were fabricated by combining layerby- layer assembly and porogen leaching techniques. Paraffin micro particles were used as porogen in two size ranges: 250 to 420 μm and 420 to 600 μm. The average pore size of Homog 1 and Homog 2 was 278.48 ± 11.23 μm and 417.79 ± 14.62, which were suitable for bone tissue engineering. The porosity of the samples was: Homog 1: 77.5 ± 1.25 %, Homog 2: 61.3 ± 3.5 %, Grad 1: 74 ± 0.5 % and Grad 2: 79.8 ± 4 %. It should be stated that the required porosity for cell survival and growth was above 70 %. Compressive strength at 80% strain and compressive modulus for Homog 1, Homog 2, Grad 1 and Grad 2 were 0.16 ± 0.16 MPa and 0.25 ± 0.11 MPa, 0.26 ± 0.20 MPa and 0.53 ± 0.34 MPa, 0.19 ± 0.34 MPa and 0.33 ± 0.43 MPa, 0.12 ± 0.28 MPa and 0.16 ± 0.51 MPa, respectively. The results showed that pore size gradient had a negligible effect on the mechanical properties of the scaffolds and using polycaprolactone (PCL) as the only material of scaffold was not appropriate. The structure of gradient scaffolds showed the radial pore size gradient with a good adhesion between layers without any detectable interface; the result of the compression test also confirmed it.