بررسی مقایسه‌ای تأثیر عناصر اصلاح‌کننده استرانسیوم و منیزیم بر روی خواص فیزیکی و شیمیایی داربست‌های زیست تقلیدی ژلاتین-کلسیم فسفات در مهندسی بافت استخوان

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

دوره 16، شماره 1 - شماره پیاپی 60، خرداد 1401، صفحه 11-26   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

امیرحسین مغنیان^{* 1}؛ مجید راز²؛ فتح الله مضطرزاده³

¹استادیار، دانشکده مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.

²استادیار، گروه مهندسی، واحد شهریار، دانشگاه آزاد اسلامی، شهریار، ایران

³استاد، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق داربست­های زیست تقلیدی به منظور مطالعه روند تشکیل رسوب­های کلسیم فسفاتی با استفاده از مکانیزم نفوذ دوسویه داخل هیدروژل ژلاتین و شرایط دما و pH مشابه بدن طراحی شد و تأثیر یون­های فلزی منیزیم و استرانسیوم بر روی خواص آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت. 5 نوع نمونه با اعمال تغییر در نسبت یون­های منیزیم و استرانسیوم انتخاب شد و تغییرات فازی در حضور یون­های موجود در محلول شبیه­سازی ­شده ­بدن (SBF) بررسی شد. نفوذ یون­های کلسیم و فسفات به داخل هیدروژل سبب تشکیل رسوب سفید رنگ لایه­ای داخل آن شد و نمونه­ها توسط روش خشک­سازی انجمادی به صورت داربست­های متخلخل درآمدند. ریزساختار داربست­های موردنظر توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) موردبررسی قرار گرفت که سطحی متخلخل را نشان داد. آنالیز رسو­ب­های تشکیل شده در نمونه­های مورد مطالعه نشانگر حضور هیدروکسی­آپاتایت و براشیت بود. نتایج طیف­سنجی تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR) حاکی از وجود پیوند­های فسفات و هیدروکسیل ساختاری در ساختار داربست­ها بود. حضور یون­های فلزی در ساختار سبب جابجایی پیک‌های آزمون پراش پرتوایکس (XRD) و تغییر پارامترهای شبکه­ای شد. نتایج کشت سلول‌های استخوانی نیز بیانگر زیست سازگاری بالای نمونه­های حاوی منیزیم و استرانسیم با سلول استئوبلاست 292G بود و همچنین فعالیت فسفات قلیایی (ALP) نشان داد که مقدار بهینه 10 درصد مولی منیزیم و استرانسیوم (M10 و S10) به طور قابل‌ملاحظه‌ای (01/0p**<، 001/0p***<) منجر به رشد، تکثیر و تمایز سلول‌های استخوانی در داربست­ها و در ساختار کلسیم فسفاتی سبب بهبود خواص زیستی نمونه­ها می‌­شود. در نهایت نتایج حاصله از آزمون­های مختلف بر قابلیت بالای داربست ساخته شده به عنوان جایگزین بافت استخوان دلالت دارد.

کلیدواژه‌ها

داربست؛ زیست تقلیدی؛ استرانسیوم؛ منیزیم؛ سلول استئوبلاست 292G

مراجع

[1] G. Schett, "4 - Biology, Physiology, and Morphology of Bone A2 - Firestein, Gary S. In: Budd RC, Gabriel SE, McInnes IB, O'Dell JR, editors", Kelley's Textbook of Rheumatology (Ninth Edition), Philadelphia: W.B. Saunders, pp. 61-6, 2013.

 

[2] B. D. Boyan, D. J. Cohen & Z. Schwartz, "7.17 Bone Tissue Grafting and Tissue Engineering Concepts☆ A2 – Ducheyne", Paul.  Comprehensive Biomaterials II, Oxford: Elsevier, pp. 298-313, 2017.

 

[3] F. Jakob, R. Ebert, A. Ignatius, T. Matsushita, Y. Watanabe, J. Groll & et al, "Bone tissue engineering in osteoporosis", Maturitas, vol. 75, pp. 118-24, 2013.

 

[4] S. Naahidi, M. Jafari, M. Logan, Y. Wang, Y. Yuan, H. Bae & et al, "Biocompatibility of hydrogel-based scaffolds for tissue engineering applications", Biotechnology Advances, vol. 35, pp. 530-44, 2017.

 

[5] S. Deepthi, J. Venkatesan, S. K. Kim, J. D. Bumgardner & R. Jayakumar. "An overview of chitin or chitosan/nano ceramic composite scaffolds for bone tissue engineering", International Journal of Biological Macromolecules, vol. 93, pp. 1338-53, 2016.

 

[6] م. نصر اصفهانی، "تأثیر تابش نور فرابنفش بر زیست فعالی پوشش‌های هیبریدی نانو ساختار پلی سیلوکسان-تیتانیوم دی‌اکسید- شیشه زیستی بهروش سل- ژل"، فصلنامه علمی- پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 9، شماره 4، صفحه 129-137، 1394.

 

[7] F. J. O'Brien, "Biomaterials & scaffolds for tissue engineering", Materials Today, vol. 14, pp. 88-95, 2011.

 

[8] S. Kuttappan, D. Mathew & M. B. Nair. "Biomimetic composite scaffolds containing bio ceramics and collagen/gelatin for bone tissue engineering - A mini review", International Journal of Biological Macromolecules, vol. 93, pp.1390-401, 2016.

 

[9] C. Liu, "10 - Collagen–hydroxyapatite composite scaffolds for tissue engineering A2 – Mucalo", Michael.  Hydroxyapatite (Hap) for Biomedical Applications: Woodhead Publishing, pp. 211-34, 2015.

 

[10] K. R. Razali, N. F. M. Nasir, E. M. Cheng, N. Mamat, M. Mazalan, Y. Wahab  & et al, "The effect of gelatin and hydroxyapatite ratios on the scaffolds' porosity and mechanical properties",  2014 IEEE Conference on Biomedical Engineering and Sciences (IECBES), pp. 256-9, 2014.

 

[11] م. خورسند قاینی، "بررسی خصوصیات حرارتی کامپوزیت پلی لاکتیک اسید با ذرات شیشه زیست فعال 45S5  و هیدروکسی آپاتیت (HA) به منظور استفاده در پیچ های تداخلی قابل جذب"، فصلنامه علمی- پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 11، شماره 4، صفحه 55-56، 1396.

 

[12] M. Schumacher, A. Henss, M. Rohnke & M. Gelinsky, "A novel and easy-to-prepare strontium (II) modified calcium phosphate bone cement with enhanced mechanical properties", Acta Biomater, vol. 9, pp. 7536-44, 2013.

 

[13] E. Bonnelye, A. Chabadel, F. Saltel & P. Jurdic, "Dual effect of strontium ranelate: Stimulation of osteoblast differentiation and inhibition of osteoclast formation and resorption in vitro", Bone, vol. 42, pp. 129-38, 2008.

 

[14] A. Bigi, E. Boanini, C. Capuccini & M. Gazzano, "Strontium-substituted hydroxyapatite nanocrystals", Inorganica Chimica Acta, vol. 360, pp. 1009-16, 2007.

 

[15] K. Zhu, K. Yanagisawa, R. Shimanouchi, A. Onda & K. Kajiyoshi, "Preferential occupancy of metal ions in the hydroxyapatite solid solutions synthesized by hydrothermal method", Journal of the European Ceramic Society, vol. 26, pp. 509-13, 2006.

 

[16] RM. S. Echeverría & M. L. Montero, "Electrolytic one-pot synthesis of Group II nanohydroxyapatites", Journal of Materials Science, vol. 48, pp. 5253-60, 2013.

 

[17] V. Aina, L. Bergandi, G. Lusvardi, G. Malavasi, F. E. Imrie, I. R. Gibson & et al, "Sr-containing hydroxyapatite: morphologies of HA crystals and bioactivity on osteoblast cells", Materials Science and Engineering: C, vol. 33, pp. 1132-42, 2013.

 

[18] M. Šupová, "Substituted hydroxyapatites for biomedical applications: A review", Ceramics International, vol. 41, pp. 9203-31, 2015.

 

[19] S. Lala, M. Ghosh, P. K. Das, D. Das, T. Kar & S. K. Pradhan, "Magnesium substitution in carbonated hydroxyapatite: Structural and microstructural characterization by Rietveld's refinement", Materials Chemistry and Physics, vol. 170, pp. 319-29, 2016.

 

[20] A. Farzadi, F. Bakhshi, M. Solati-Hashjin, M. Asadi-Eydivand & N. A. A. Osman, "Magnesium incorporated hydroxyapatite: Synthesis and structural properties characterization", Ceramics International, vol. 40, pp. 6021-9, 2014.

 

[21] L. Bertinetti, C. Drouet, C. Combes, C. Rey, A. Tampieri, S. Coluccia & et al, "Surface Characteristics of Nanocrystalline Apatites: Effect of Mg Surface Enrichment on Morphology, Surface Hydration Species, and Cationic Environments", Langmuir, vol. 25, pp. 5647-54, 2009.

[22] M. Julien, I. Khairoun, R. Z. LeGeros, S. Delplace, P. Pilet, P. Weiss & et al, "Physico-chemical–mechanical and in vitro biological properties of calcium phosphate cements with doped amorphous calcium phosphates", Biomaterials, vol. 28, pp. 956-65, 2007.

 

[23] Z. S. Tao, W. S. Zhou, X. W. He, W. Liu, B. L. Bai, Q. Zhou & et al, "A comparative study of zinc, magnesium, strontium-incorporated hydroxyapatite-coated titanium implants for osseointegration of osteopenic rats", Materials Science and Engineering. C, vol. 62, pp. 226-32, 2016.

 

[24] T. Kokubo & H. Takadama, "How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?", Biomaterials, vol. 27, pp. 2907-15, 2006.

 

[25] R. I. Freshney, "Culture of Tumor Cells.  Culture of Animal Cells: John Wiley & Sons", Inc, pp. 463-79, 2010.

 

[26] R. I. Freshney, "Cytotoxicity.  Culture of Animal Cells: John Wiley & Sons", Inc., pp. 365-81, 2010.

 

[27] L. Stipniece, K. Salma-Ancane, N. Borodajenko, M. Sokolova, D. Jakovlevs & L. Berzina-Cimdina, "Characterization of Mg-substituted hydroxyapatite synthesized by wet chemical method", Ceramics International, vol. 40, pp. 3261-7, 2014.

 

[28] D. Laurencin, N. Almora-Barrios, N. H. De Leeuw, C. Gervais, C. Bonhomme, F. Mauri & et al, "Magnesium incorporation into hydroxyapatite", Biomaterials, vol. 32, pp. 1826-37, 2011.

 

[29] J. Kolmas, A. Jaklewicz, A. Zima, M. Bućko, Z. Paszkiewicz, J. Lis & et al, "Incorporation of carbonate and magnesium ions into synthetic hydroxyapatite: The effect on physicochemical properties", Journal of Molecular Structure, vol. 987, pp. 40-50, 2011.

 

[30] M. Frasnelli, F. Cristofaro, V. M. Sglavo, S. Dire, E. Callone, R. Ceccato & et al, "Synthesis and characterization of Strontium-substituted hydroxyapatite nanoparticles for bone regeneration", Materials Science and Engineering: C, vol.71, pp.653-62, 2017.

 

[31] S. S. Singh, A. Roy, B. Lee, I. Banerjee & P. N. Kumta, "Synthesis, characterization, and invitro cytocompatibility of amorphous β-tri-calcium magnesium phosphate ceramics", Materials Science and Engineering: C, vol. 67, pp. 636-45, 2016.

 

[32] B. Thavornyutikarn, N. Chantarapanich, K. Sitthiseripratip, G. A. Thouas & Q. Chen, "Bone tissue engineering scaffolding: computer-aided scaffolding techniques", Progress in Biomaterials, vol. 3, pp. 61-102, 2014.

 

[33] L. Roseti, V. Parisi, M. Petretta, C. Cavallo, G, Desando, I. Bartolotti & et al, "Scaffolds for Bone Tissue Engineering: State of the art and new perspectives", Materials Science and Engineering: C, vol. 78, pp. 1246-62, 2017.

 

[34] S. A. Hutchens, R. S. Benson, B. R. Evans, H. M. O’Neill & C. J. Rawn, "Biomimetic synthesis of calcium-deficient hydroxyapatite in a natural hydrogel", Biomaterials, vol. 27, pp. 4661-70, 2006.

 

[35] S. J. Kalita, A. Bhardwaj & H. A. Bhatt, "Nanocrystalline calcium phosphate ceramics in biomedical engineering", Materials Science and Engineering: C, vol. 27, 441-9, 2007.

 

[36] A. Amelian, K. Wasilewska, D. Megias & K. Winnicka, "Application of standard cell cultures and 3D in vitro tissue models as an effective tool in drug design and development", Pharmacological Reports, vol. 69, pp. 861-70, 2017.

 

[37] L. Nie, J. Suo, P. Zou & S. Feng, "Preparation and Properties of Biphasic Calcium Phosphate Scaffolds Multiply Coated with HA/PLLA Nanocomposites for Bone Tissue Engineering Applications", Journal of Nanomaterials, vol. 11, 2012.

 

[38] A. S. Hurtel-Lemaire, R. Mentaverri, A. Caudrillier, F. Cournarie, A. Wattel, S. Kamel & et al, "The calcium-sensing receptor is involved in strontium ranelate-induced osteoclast apoptosis, New insights into the associated signaling pathways",  The Journal of biological chemistry, vol. 284, pp. 575-84, 2009.

 

[39] A. Bondarenko, N. Angrisani, A. Meyer-Lindenberg, J. M. Seitz, H, Waizy & J. Reifenrath, "Magnesium-based bone implants: immunohistochemical analysis of peri-implant osteogenesis by evaluation of osteopontin and osteocalcin expression", Journal of biomedical materials research Part A, vol. 102, pp. 1449-57, 2014.

 

[40] E.  Landi, G. Logroscino, L, Proietti, A. Tampieri, M. Sandri & S. Sprio, "Biomimetic Mg-substituted hydroxyapatite: from synthesis to in vivo behavior", Journal of materials science Materials in medicine, vol. 19, pp. 239-47, 2008.

 

[41] Y. Yamasaki, Y. Yoshida, M. Okazaki, A. Shimazu, T. Kubo, Y. Akagawa & et al, "Action of FGMgCO₃Ap-collagen composite in promoting bone formation", Biomaterials, vol. 24, pp. 4913-20, 2003.

 

[42] Y, Yamasaki, Y, Yoshida, M. Okazaki, A. Shimazu, T. Uchida, T. Kubo & et al, "Synthesis of functionally graded MgCO₃ apatite accelerating osteoblast adhesion", J Biomed Mater Res, pp. 99-105, 2002.

 

[43] X. Li, K. Senda, A. Ito, Y. Sogo & A. Yamazaki, "Effect of Zn and Mg in tricalcium phosphate and in culture medium on apoptosis and actin ring formation of mature osteoclasts', Biomedical materials (Bristol, England), vol. 3, pp. 045002, 2008.

 

[44] W. Xue, J. L. Moore, H. L. Hosick, S. Bose, A. Bandyopadhyay, W. W. Lu & et al, "Osteoprecursor cell response to strontium-containing hydroxyapatite ceramics", Journal of Biomedical Materials Research Part A, vol. 79A, pp. 804-14, 2006.

 

[45] F. Tamimi, D. Le Nihouannen, D. C. Bassett, S. Ibasco, U. Gbureck, J. Knowles & et al, "Biocompatibility of magnesium phosphate minerals and their stability under physiological conditions", Acta Biomater, vol. 7, pp. 2678-85, 2011.