پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

بهینه‌سازی داربست ژلاتین/ پلی‌اتیلن‌گلیکول با شیشه سرامیک زیست ‌فعال آلاییده‌ شده با Zn/Mg با استفاده از روش سطح پاسخ (RSM)

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

مانیا چایی چی 1
گیتا باقری 2

1 گروه شیمی دارویی، واحد شهریار، دانشگاه آزاد اسلامی، شهریار، ایران.

2 گروه مهندسی شیمی، واحد شهریار، دانشگاه آزاد اسلامی، شهریار، ایران.

چکیده
موضوع تحقیق: هدف از این تحقیق بهبود زیست‌سازگاری، فعالیت زیستی و خواص مکانیکی داربست‌های کامپوزیتی ژلاتین پوشش داده‌شده با پلی‌اتیلن‌گلیکول آلاییده‌شده با شیشه‌های زیست‌فعال حاوی روی و منیزیم است.

روش تحقیق: در این مطالعه برای مدل‌سازی تجربی و ارزیابی تأثیر متغیرهای مختلف و انتخاب ترکیب‌های بهینه از روش سطح پاسخ با دو متغیر مستقل نسبت وزنی PEG/Gel(X1) و درصد وزنی BG (X2) استفاده شد. پاسخ‌ها شامل استحکام نهایی، مدول یانگ، ازدیاد طول در شکست، درصد تورم، درصد فرسایش و درصد جذب رطوبت بوده است.

نتایج کلی : شرایط بهینه برای به‌دست آوردن داربستی با خواص مکانیکی، زیست‌ سازگاری و تخریب پذیری مناسب تعیین شد. آزمون ANOVA برای به‌دست آوردن بهترین مدل برای توصیف چگونگی تأثیر هر یک از متغیر‌های مستقل بر پاسخ‌ها انجام شد و شرایط داربست بهینه بر اساس سطوح تعریف‌شده در نرم‌افزار مشخص شد. برای تحلیل گروه‌های عاملی موجود بر سطح نمونه‌ها از طیف FTIR استفاده شد و طیف FTIR از BGهای سنتزشده نوار ارتعاشی گسترده‌ای را در محدوده 900 تا cm-1 1100 نشان داد که به نوار کششی نامتقارن Si-O-Si اختصاص دارد. طیف FTIR کامپوزیت PEG/Gel/BG وجود BG در داربست‌های کامپوزیتی و برهم‌کنش بین ماتریس پلیمری و BG را تأیید کرد. افزایش مقدار BG نسبت به داربست پلیمری منجر به کاهش اندازه منافذ و در نتیجه موجب کاهش درصد تورم داربست شد. تأثیر درصد وزنی متغیر BG بر میزان استحکام کششی در مقایسه با نسبت وزنی PEG/Gel بیشتر بوده و استحکام کششی به‌دلیل برهم‌کنش خوب بین داربست پلیمری و BG و پراکندگی مناسب BG در ماتریس پلیمری به‌طور چشمگیری افزایش یافته است. تصاویر SEM بیانگر آن است که سلول‌ها به خوبی در میان داربست‌ها نفوذ کرده و شبکه سه‌بعدی مناسبی از سلول‌ها ایجاد شده است. سمیت سلولی، اتصال و تکثیر سلولی و تمایز استخوانی نیز توسط آزمون MTT و با کشت سلول‌های MG-63 بر داربست مورد ارزیابی قرار گرفت. زنده‌مانی سلولی تفاوت معنی‌داری بین نمونه مورد آزمایش و شاهد نشان نداد.

کلیدواژه‌ها

داربست کامپوزیتی
ژلاتین
پلی اتیلن گلایکول
شیشه زیست فعال
روش سطح پاسخ

موضوعات

عنوان مقاله English

Optimization of Gelatin/PEG Scaffold with Zn/Mg Doped Bioactive Ceramic Glass Using Response Surface Method (RSM)

نویسندگان English

Mania Chaychi 1
gita bagheri 2
1 Department of Medicinal Chemistry, Shahriar Branch, Islamic Azad University, Shahriar, Iran;
2 Department of Chemical Engineering, Shahriar Branch, Islamic Azad University, Shahriar, Iran;
چکیده English

Research subject: This study aims to improve the biocompatibility, bioactivity, and mechanical properties of gelatin-based composite scaffolds by coating them with polyethylene glycol (PEG) doped with bioactive glasses (BGs) containing zinc and magnesium.

Research approach: A response surface methodology (RSM) was used to model and evaluate the effects of two independent variables: the PEG/Gel weight ratio (X1) and the BG weight percentage (X2). The responses investigated included ultimate strength, Young's modulus, elongation at break, swelling percentage, erosion percentage, and moisture absorption percentage.

Main results: Optimal conditions were determined to obtain scaffolds with suitable mechanical strength, biocompatibility and degradability. Analysis of variance (ANOVA) was used to obtain the best model describing the influence of each independent variable on the responses. The optimal scaffold formulation was selected based on software-defined parameters. The FTIR spectrum was used to analyze the functional groups present on the surface of the samples. The FTIR spectrum of the synthesized BGs showed a broad vibrational band in the range of 900 to 1100 cm-1, which is attributed to the asymmetric Si-O-Si stretching band. The FTIR spectrum of the PEG/Gel/BG composite confirmed the presence of BG in the scaffolds and the interaction between the polymer matrix and BG. Increasing the amount of BG relative to the polymer scaffold led to a decrease in pore size and consequently, a decrease in the scaffold's swelling percentage. The effect of varying the BG weight percentage on tensile strength was greater than that of the PEG/Gel weight ratio. The tensile strength increased significantly due to the good interaction between the polymer scaffold and BG, as well as the uniform dispersion of BG within the polymer matrix. SEM images indicated that cells penetrated well into the scaffolds and formed a suitable three-dimensional cellular network. Cytotoxicity, cell attachment and proliferation, and osteogenic differentiation were evaluated using the MTT test and by culturing MG-63 cells on the scaffold. Cell viability showed no significant difference between the tested and control samples.

کلیدواژه‌ها English

composite scaffold
Gelatin
Polyethylene glycol
Bioactive glass
Response surface method
1. Farag M. M., Liu H. H., & Makhlouf A. H. New nano-bioactive glass/magnesium phosphate composites by sol-gel route for bone defect treatment. Silicon, 13, 857-865, 2021.
2. Ghomi F., Asefnejad A., Daliri M., Godarzi V., & Hemati, M. Fabrication and characterization of chitosan/gelatin scaffold with bioactive glass reinforcement using PRP to regenerate bone tissue. Nanomedicine Research Journal, 7(2), 205-213,2022.
3. Raz M., Moztarzadeh F., & Kordestani, S. S. Sol-gel based fabrication and properties of Mg-Zn doped bioactive glass/gelatin composite scaffold for bone tissue engineering. Silicon, 10, 667-674, 2018.
4. Sharifi S., Ebrahimian-Hosseinabadi M., Dini G., & Toghyani, S. Magnesium-zinc-graphene oxide nanocomposite scaffolds for bone tissue engineering. Arabian Journal of Chemistry, 16(6), 104715,2023.
5. Zhu G., Zhang T., Chen M., Yao K., Huang X., Zhang B., ... & Zhao Z. Bone physiological microenvironment and healing mechanism: Basis for future bone-tissue engineering scaffolds. Bioactive materials, 6(11), 4110-4140,2021.
6. Safari B., Davaran S., & Aghanejad A. Osteogenic potential of the growth factors and bioactive molecules in bone regeneration. International journal of biological macromolecules, 175, 544-557,2021.
7. Guyton A. C., & Hall J. E. Fisiologia médica. Elsevier srl. 2006.
8. Sonatkar J., & Kandasubramanian B. Bioactive glass with biocompatible polymers for bone applications. European Polymer Journal, 160, 110801, 2021.
9. Sergi R., Bellucci D., & Cannillo V. A review of bioactive glass/natural polymer composites: State of the art. Materials, 13(23), 5560, 2020.
10. Newman H., Shih Y. V., & Varghese S. Resolution of inflammation in bone regeneration: From understandings to therapeutic, applications. Biomaterials ,277, 121114, 2021.
11. Safari B., Davaran S., & Aghanejad A. Osteogenic potential of the growth factors and bioactive molecules in bone regeneration. International journal of biological macromolecules, 175, 544-557, 2021.
12. Liang W., Wu X., Dong Y., Shao R., Chen X., Zhou P., & Xu F. In vivo behavior of bioactive glass-based composites in animal models for bone regeneration. Biomaterials Science, 9(6), 1924-1944, 2021.
13. Gupta N., & Santhiya D. In situ mineralization of bioactive glass in gelatin matrix. Materials Letters, 188, 127-129, 2017.
14. Jain S., Gujjala R., Azeem P. A., Ojha S., & Samudrala R. K. A review on mechanical and In-vitro studies of polymer reinforced bioactive glass-scaffolds and their fabrication techniques. Ceramics International, 48(5), 5908-5921, 2022.
15. Sharifi E., Sadati S. A., Yousefiasl S., Sartorius, R., Zafari, M., Rezakhani, L., ... & Makvandi, P. Cell loaded hydrogel containing Ag‐doped bioactive glass–ceramic nanoparticles as skin substitute: Antibacterial properties, immune response, and scarless cutaneous wound regeneration. Bioengineering & Translational Medicine, 7(3), e10386, 2022.
16. Yao L., Gao H., Lin Z., Dai Q., Zhu S., Li S., ... & Cao X. A shape memory and antibacterial cryogel with rapid hemostasis for noncompressible hemorrhage and wound healing. Chemical Engineering Journal, 428, 131005, 2022.
17. Afghah F., Iyison N. B., Nadernezhad A., Midi A., Sen O., Saner Okan B., ... & Koc B. 3D fiber reinforced hydrogel scaffolds by melt electrowriting and gel casting as a hybrid design for wound healing. Advanced Healthcare Materials, 11(11), 2102068, 2022.
18. Begines B., Arevalo C., Romero C., Hadzhieva Z., Boccaccini A. R., & Torres Y. Fabrication and Characterization of Bioactive Gelatin–Alginate–Bioactive Glass Composite Coatings on Porous Titanium Substrates. ACS Applied Materials & Interfaces, 14(13), 15008-15020, 2022.
19. Karadjian M., Essers C., Tsitlakidis S., Reible B., Moghaddam A., Boccaccini A. R., & Westhauser F. Biological properties of calcium phosphate bioactive glass composite bone substitutes: Current experimental evidence. International journal of molecular sciences, 20(2), 305, 2019.
20. Rahmani M., Moghanian A., & Yazdi M. S. The effect of Ag substitution on physicochemical and biological properties of sol-gel derived 60% SiO2–31% CaO–4% P2O5–5% Li2O (mol%) quaternary bioactive glass. Ceramics International, 47(11), 15985-15994, 2021.
21. Montazerian M., Zanotto E. D., & Mauro J. C. Model-driven design of bioactive glasses: from molecular dynamics through machine learning. International Materials Reviews, 65(5), 297-321, 2020.
22. Goudarzi G, Dadashian F, Vatanara A, Sepehrizadeh Z. Optimization of Keratin Sponge Preparation Conditions for Hemostatic Application Using Response Surface Methodology (RSM). Journal of Polymers and the Environment, 32(3):1135-49, 2024.
23. Mehrabi T., Mesgar A. S., & Mohammadi Z. Bioactive glasses: a promising therapeutic ion release strategy for enhancing wound healing. ACS Biomaterials Science & Engineering, 6(10), 5399-5430, 2020.
24. Elkhouly H., Mamdouh W., & El-Korashy D. I. Electrospun nano-fibrous bilayer scaffold prepared from polycaprolactone/gelatin and bioactive glass for bone tissue engineering. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 32(9), 111, 2021.

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما