Đánh giá các sợi nano được chế tạo bằng phương pháp điện mồi sử dụng PCL/PVP và PVA/β-TCP như những giá đỡ tiềm năng cho kỹ thuật mô xương

Polymer Bulletin - Tập 79 - Trang 8397-8413 - 2021
Majid Sohrabi1, Marjan Abbasi1, Malek Masoud Ansar2, Bahram Soltani Tehrani3
1Department of Textile Engineering, Faculty of Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran
2Department of Anatomy, Cellular and Molecular Research Center, School of Medicine, Guilan University of Medical Sciences, Rasht, Iran
3Department of Pharmacology, Cellular and Molecular Research Center, School of Medicine, Guilan University of Medical Sciences, Rasht, Iran

Tóm tắt

Để tạo ra một giá đỡ xương hoàn hảo, các nanocomposite là lựa chọn tốt nhất, vì chúng có thể được thiết kế để có thành phần, cấu trúc và tính chất tương tự như xương tự nhiên. Trong nghiên cứu này, giá đỡ sợi nano được chế tạo theo phương pháp lớp-lớp và lai bằng cách sử dụng sự kết hợp giữa các lớp PCL/PVP và PVA/β-TCP. Chúng tôi nghiên cứu và so sánh các tính chất hình thái (kính hiển vi điện tử quét (SEM), tỷ lệ phồng và độ rỗng), tính chất cơ học (độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt và mô-đun kéo) và độ phân hủy sinh học của các giá đỡ. Đường kính sợi trung bình đo được cho giá đỡ lớp-lớp và giá đỡ lai lần lượt là 446 ± 128 nm và 505 ± 261 nm. Độ bền kéo cho giá đỡ lớp-lớp và giá đỡ lai lần lượt là 7.40 ± 3.40 MPa và 6.57 ± 1.64 MPa, và tỷ lệ phân hủy cho giá đỡ lớp-lớp và giá đỡ lai lần lượt là 26 ± 2% và 40 ± 5%. Kết quả cho thấy các tính chất cơ học mong muốn và khả năng tương thích của các giá đỡ. Phép thử (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) (MTT) cho thấy sự sống tế bào trên 80% và không có độc tính tế bào cho giá đỡ lớp-lớp và giá đỡ lai sau 3, 5 và 7 ngày nuôi cấy tế bào stroma tủy xương chuột (rMSC). Hình thái và sự phát triển của các tế bào rMSC cho thấy sự phù hợp của các giá đỡ cho ứng dụng kỹ thuật mô. Do đó, cả hai loại giá đỡ đều có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật mô, bao gồm việc cải thiện tái tạo mô xương.

Từ khóa

#nanocomposite #giá đỡ xương #sợi nano #phương pháp điện mồi #PCL/PVP #PVA/β-TCP #kỹ thuật mô

Tài liệu tham khảo

Arafat MT, Lam CX, Ekaputra AK, Wong SY, Li X, Gibson I (2011) Biomimetic composite coating on rapid prototyped scaffolds for bone tissue engineering. Acta Biomater 7(2):809–820 Mohseni M, Bas O, Castro NJ, Schmutz B and Hutmacher DW (2019) Additive biomanufacturing of scaffolds for breast reconstruction. Addit Manuf 30100845. Liu X, Smith LA, Hu J, Ma PX (2009) Biomimetic nanofibrous gelatin/apatite composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials 30(12):2252–2258 Rajzer I, Grzybowska-Pietras J, Janicki J (2011) Fabrication of bioactive carbon nonwovens for bone tissue regeneration. Fibres Text East Eur 1(84):66–72 Xie J, Zhong S, Ma B, Shuler FD, Lim CT (2013) Controlled biomineralization of electrospun poly (ε-caprolactone) fibers to enhance their mechanical properties. Acta Biomater 9(3):5698–5707 Ang SL, Shaharuddin B, Chuah JA, Sudesh K (2020) Electrospun poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)/silk fibroin film is a promising scaffold for bone tissue engineering. Int J Biol Macromol 145:173–188 Kang Z, Zhang X, Chen Y, Akram MY, Nie J, Zhu X (2017) Preparation of polymer/calcium phosphate porous composite as bone tissue scaffolds. Mater Sci Eng C 70:1125–1131 Wu T, Ding M, Shi C, Qiao Y, Wang P, Qiao R, Zhong J (2020) Resorbable polymer electrospun nanofibers: History, shapes and application for tissue engineering. Chin Chem Lett 31(3):617–625 Daglar O, Altinkok C, Acik G, Durmaz H (2020) Electrospinning of poly (1,4-Cyclohexanedimethylene Acetylene Dicarboxylate): study on the morphology, wettability, thermal and biodegradation behaviors. Macromol Chem Phys 221(23):2000310 Bhattarai RS, Bachu RD, Boddu SH, Bhaduri S (2019) Biomedical applications of electrospun nanofibers: Drug and nanoparticle delivery. Pharmaceutics 11(1):5 Xie J, Blough ER, Wang CH (2012) Submicron bioactive glass tubes for bone tissue engineering. Acta Biomater 8(2):811–819 Winn SR, Hu Y, Sfeir C, Hollinger JO (2000) Gene therapy approaches for modulating bone regeneration. Adv Drug Deliv Rev 42(1–2):121–138 Rezwan K, Chen QZ, Blaker JJ, Boccaccini AR (2006) Biodegradable and bioactive porous polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials 27(18):3413–3431 Nazir NM, Dasmawati M, Azman S, Omar NS, Othman R (2012) Biocompatibility of in house β-tricalcium phosphate ceramics with normal human osteoblast cell. J Eng Sci Technol 7:169–176 LeGeros RZ (2008) Calcium phosphate-based osteoinductive materials. Chem Rev 108(11):4742–4753 Yuan H, Fernandes H, Habibovic P, De Boer J, Barradas AM, De Ruiter A, Walsh WR, Van Blitterswijk CA, De Bruijn JD (2010) Osteoinductive ceramics as a synthetic alternative to autologous bone grafting. Proc Natl Acad Sci 107(31):13614–13619 Boyan BD, Schwartz Z (2011) Are calcium phosphate ceramics ‘smart’ biomaterials? Nat Rev Rheumatol 7(1):8–9 He Y, Wildman RD, Tuck CJ, Christie SD, Edmondson S (2016) An investigation of the behavior of solvent based polycaprolactone ink for material jetting. Sci Rep 6:20852 Fabbri P, Bondioli F, Messori M, Bartoli C, Dinucci D, Chiellini F (2010) Porous scaffolds of polycaprolactone reinforced with in situ generated hydroxyapatite for bone tissue engineering. J Mater Sci Mater Med 21(1):343–351 Rajzer I (2014) Fabrication of bioactive polycaprolactone/hydroxyapatite scaffolds with final bilayer nano-/micro-fibrous structures for tissue engineering application. J Mater Sci 49(16):5799–5807 Cima LG, Vacanti JP, Vacanti C, Ingber D, Mooney D, Langer R (1991) Tissue engineering by cell transplantation using degradable polymer substrates. ASME J Biomech Eng 113(2):143–151 Vaz CM, Van Tuijl S, Bouten CVC, Baaijens FPT (2005) Design of scaffolds for blood vessel tissue engineering using a multi-layering electrospinning technique. Acta Biomater 1(5):575–582 Chong EJ, Phan TT, Lim IJ, Zhang YZ, Bay BH, Ramakrishna S, Lim CT (2007) Evaluation of electrospun PCL/gelatin nanofibrous scaffold for wound healing and layered dermal reconstitution. Acta Biomater 3(3):321–330 Chung TW, Cho KY, Lee HC, Nah JW, Yeo JH, Akaike T, Cho CS (2004) Novel micelle-forming block copolymer composed of poly (ε-caprolactone) and poly (vinyl pyrrolidone). Polymer 45(5):1591–1597 Kim CH, Khil MS, Kim HY, Lee HU, Jahng KY (2006) An improved hydrophilicity via electrospinning for enhanced cell attachment and proliferation. J Biomed Mater Res Part B Appl Biomater 78(2):283–290 Jia YT, Zhu XY, Liu QQ (2011) In vitro degradation of electrospun fiber membranes of PCL/PVP blends. Adv Mater Res 332:1330–1334 Li J, Zhang L, Gu J, Sun Y, Ji X (2015) Cross-linking of poly (vinyl alcohol) with N, N′-methylene bisacrylamide via a radical reaction to prepare pervaporation membranes. RSC Adv 5(26):19859–19864 Ding B, Kim HY, Lee SC, Shao CL, Lee DR, Park SJ, Kwag GB, Choi KJ (2002) Preparation and characterization of a nanoscale poly (vinyl alcohol) fiber aggregate produced by an electrospinning method. J Polym Sci Part B Polym Phys 40(13):1261–1268 Hajir Bahrami, AGKS, Kochaksaraie AS (2012) Morphological, mechanical and biological properties of novel PCL-Cs/PVA multi layer nanofibrous scaffolds. Dig J Nanomater Biostructures 7(4) Meng ZX, Wang YS, Ma C, Zheng W, Li L, Zheng YF (2010) Electrospinning of PLGA/gelatin randomly-oriented and aligned nanofibers as potential scaffold in tissue engineering. Mater Sci Eng C 30(8):1204–1210 Amiraliyan N, Nouri M, Kish MH (2009) Effects of some electrospinning parameters on morphology of natural silk-based nanofibers. J Appl Polym Sci 113(1):226–234 Çakman G, Dilsiz N (2016) Preparation and physical, thermal properties of polycaprolactone/m-Halloysite nanocomposite. J Multidiscip Eng Sci Stud 2:842–848 Zhou Y, Yang D, Chen X, Xu Q, Lu F, Nie J (2008) Electrospun water-soluble carboxyethyl chitosan/poly (vinyl alcohol) nanofibrous membrane as potential wound dressing for skin regeneration. Biomacromol 9(1):349–354 Zhang JF, Yang DZ, Xu F, Zhang ZP, Yin RX, Nie J (2009) Electrospun core−shell structure nanofibers from homogeneous solution of poly (ethylene oxide)/chitosan. Macromolecules 42(14):5278–5284 Kai D, Low ZW, Liow SS, Abdul Karim A, Ye H, Jin G, Li K, Loh XJ (2015) Development of lignin supramolecular hydrogels with mechanically responsive and self-healing properties. ACS Sustain Chem Eng 3(9):2160–2169 Yang D, Zhang J, Xue J, Nie J, Zhang Z (2013) Electrospinning of Poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) nanofibers with feature surface microstructure. J Appl Polym Sci 127(4):2867–2874 Li Q, Yang D, Ma G, Xu Q, Chen X, Lu F, Nie J (2009) Synthesis and characterization of chitosan-based hydrogels. Int J Biol Macromol 44(2):121–127 Esfahani H, Salahi E, Tayebifard SA, Rahimipour MR, Keyanpour-Rad M (2014) Synthesis of polycaprolactam/zinc doped hydroxyapatite nanofibers via electrospinning. J Adv Mater Technol 3(3):59–66 Giannitelli SM, Costantini M, Basoli F, Trombetta M and Rainer A (2018) Electrospinning and microfluidics: An integrated approach for tissue engineering and cancer. In: Electrofluidodynamic technologies (EFDTs) for biomaterials and medical devices. Woodhead Publishing Series in Biomaterials, pp 139–155 Maheshwari SU, Samuel VK, Nagiah N (2014) Fabrication and evaluation of (PVA/HAp/PCL) bilayer composites as potential scaffolds for bone tissue regeneration application. Ceram Int 40(6):8469–8477 Ma G, Yang D, Wang K, Han J, Ding S, Song G, Nie J (2010) Organic-soluble chitosan/polyhydroxybutyrate ultrafine fibers as skin regeneration prepared by electrospinning. J Appl Polym Sci 118(6):3619–3624 Karageorgiou V, Kaplan D (2005) Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis. Biomaterials 26(27):5474–5491 Gönen SÖ, Taygun ME, Küçükbayrak S (2016) Fabrication of bioactive glass containing nanocomposite fiber mats for bone tissue engineering applications. Compos Struct 138:96–106