بررسی پایداری و خودآرایی اجزاء تشکیل دهنده داربست های سه بعدی استخوانی تری کلسیم سیلیکات و هیدروکسی آپاتیت
Investigating the stability and self-assembly of tricalcium silicate and hydroxyapatite 3D bone scaffolds' components
مجریان: نیما بهشتی زاده
خلاصه روش اجرا: داربستهای استخوانی حاوی کلسیم، خصوصا داربست های ساخته شده از کلسیم فسفاتها و کلسیم سیلیکاتها از پرکاربردترین سازه های مهندسی بافت به شمار می روند. انتخاب این مواد بر اساس زیست سازگاری، زیست فعالی و ویژگی های مکانیکی آن ها انجام می گیرد که شباهت زیادی به استخوان طبیعی دارند؛ لکن خواص متفاوتی از خود نشان می دهند. پژوهش حاضر استفاده از هیدروکسی آپاتیت و تری کلسیم سیلیکات را که از رایج ترین مواد مورد استفاده در کلسیم فسفات ها و کلسیم سیلیکات ها هستند، در زمینه کاربردهای داربست استخوانی trabecular bone مورد بررسی قرار خواهد داد. بدین منظور یک شبیهسازی دینامیک مولکولی (Molecular Dynamics Simulation) برای بررسی تأثیر غلظتهای مختلف نانوذرات سرامیکی هنگامی که با هیدروژل آلژینات سدیم (SA) ترکیب میشود بر روی ساخت داربستهای استخوانی انجام میشود. دو معیار پایداری (Stability) و خودآرایی (self-assembly) این کامپوزیت ها از طریق چندین پارامتر مانند سطح قابل دسترسی با حلال (SASA)، شعاع چرخش (Rg)، تابع توزیع شعاعی (g(r))، انحراف ریشه میانگین مربعات (RMSD)، نوسانات ریشه میانگین مربعات (RMSF)، پیوند هیدروژنی، انرژی واندروالس، انرژی الکترواستاتیک و انرژی کل ارزیابی می شود. یافته ها نشان خواهد داد که افزودن چه مقدار هیدروکسی آپاتیت و تری کلسیم سیلیکات به ماتریس هیدروژل سدیم آلژیناتی منجر به ساختار فشرده تر، پایدارتر و کمتر هیدراته می شود. این یافته ها به طور بالقوه می تواند به رسیدن به خواص مکانیکی بهینه داربست و تعامل مواد داربست با سلول ها کمک کند. همچنین یافته های این پژوهش مشخص خواهد کرد که با استفاده از هیدروژل سدیم آلژینات، استفاده از کدام نانوپودرهای سرامیکی پیشنهاد می شود؟ هیدروکسی آپاتیت یا تری کلسیم سیلیکات؟ سپس نمونه های آزمایشگاهی داربست های کامپوزیتی آلژینات/هیدروکسی آپاتیت و آلژینات/تری کلسیم سیلیکات ساخته شده و مورد ارزیابی قرار می گیرند تا یافته های in silico در مرحله in vitro نیز مورد ارزیابی قرار گیرند. بدین منظور تست رئولوژی برای تعیین خواص رئولوژیکی و ویسکوزیته کامپوزیت ها و تست خواص مکانیکی برای تعیین خواص مکانیکی داربست های ساخته شده انجام می گردد. نتایج در قالب مقاله منتشر شده و برای انجام فاز حیوانی استفاده خواهد شد.
اطلاعات کلی طرح 
| مرحله جاری طرح | خاتمه قرارداد و اجرا |
| کد طرح | 73575 |
| عنوان فارسی طرح | بررسی پایداری و خودآرایی اجزاء تشکیل دهنده داربست های سه بعدی استخوانی تری کلسیم سیلیکات و هیدروکسی آپاتیت |
| عنوان لاتین طرح | Investigating the stability and self-assembly of tricalcium silicate and hydroxyapatite 3D bone scaffolds' components |
| نوع طرح | طرح تحقیقاتی |
| اولویت طرح | سلولهای بنیادی، مهندسی بافت و پزشکی بازساختی |
| نوع مطالعه | طرح تحقیقاتی-پژوهشی |
| تحقیق در نظام سلامت | بلی |
| آیا طرح پایاننامه دانشجویی است؟ | خير |
| مقطع پایان نامه | |
| مدت اجرا - ماه | 8 |
| نوآوری و ضرورت انجام تحقیق | یکی از چالش های توسعه داربست های استخوانی توسط پژوهشگران، انتخاب متریال مناسب و روش ساخت آن است. تحقیقات و مطالعات قبلی نشان داده است که ترکیب پودرهای سرامیکی تری کلسیم سیلیکات در داربست های ساخته شده، یک محیط قلیایی ایجاد می کند که برای تمایز سلول های بنیادی به سلول های استخوانی با تراکم کم، مساعد است. با این حال، در تراکمهای بالا، نانوپودرهای تری کلسیم سیلیکات برای اتصال سلولی به دلیل ماهیت آبگریز داربستهای نامناسبی هستند. از طرفی استفاده از پودرهای سرامیکی هیدروکسی آپاتیت در داربست های استخوانی منجر به زیست سازگاری مناسب داربست ها ولی خواص مکانیکی نامناسب آن ها می شود. لذا سوال اصلی در تهیه ساختارهای استخوانی این است که آیا استفاده از داربست های کلسیم فسفاتی مناسب تر هستند یا داربست های کلسیم سیلیکاتی؟ در واقع جنبه های متعدد این بیومواد حاوی کلسیم باید برای رفع این نگرانی مورد بررسی قرار گیرد. یکی از زیربناهای اساسی فعالیت های بیولوژیکی و فیزیکی، ریشه در برهمکنش های مولکولی دارد که از فعالیت ساختارهای ماکرومولکولی ناشی می شود. در حال حاضر، تکنیکهای شبیهسازی ابزار ارزشمندی برای ارزیابی و پیشبینی بالقوه ویژگیها و کارایی مواد و سازههایی هستند که شامل اجزای متعدد هستند. همچنین ارزیابی برهمکنشهای این مواد و سازه ها با سایر مواد و محیط اطراف قابل انجام است. علاوه بر این، شبیهسازیها توجیهات منطقی برای ساختارها و پدیدههایی ارائه میدهند که نمیتوان به صورت تجربی به آن ها دسترسی پیدا کرد. استفاده از یک مدل ریاضی قبل از انجام ارزیابی های تجربی یک رویکرد مقرون به صرفه است که هزینه های مرتبط با تجزیه و تحلیل های اضافی را کاهش می دهد. استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی (MD) به یک روش پیشرفته برای ایجاد ارتباط بین ساختار و عملکرد ماکرومولکول ها تبدیل شده است. این تحقیق ضمن بهره گیری از این شبیه سازی، در صدد است تا درصد مناسب کامپوزیت هیدروژل/سرامیک را برای تولید داربست های استخوانی معرفی نموده و مناسب ترین متریال حاوی کلسیم را از نقطه نظر پایداری، استحکام و self-assembly تشخیص دهد. بدین منظور پژوهش حاضر علاوه بر فاز in silico، فاز in vitro نیز خواهد داشت تا نتایج در جهت استفاده در فاز in vivo آماده گردد. |
| اهداف اختصاصی | بررسی سطح قابل دسترسی حلال (solvent-accessible surface area) به منظور فهم امکان برهمکنش نانوپودرهای سرامیکی با هیدروژل آلژینات و شعاع ژیراسیون (Radius of gyration (Rg)) به عنوان مقیاسی از تراکم و فشردگی سیستم و ریشه میانگین مربع انحرافات (Root Mean Square Deviation (RMSD)) به عنوان مقیاسی از پایداری و تعادل سیستم و پیوند هیدروژنی کامپوزیت های تری کلسیم سیلیکات و هیدروکسی آپاتیت در زمینه هیدروژل سدیم آلژینات -تعیین موثرترین و بهینه ترین درصد ترکیب در کامپوزیت های تری کلسیم سیلیکات/آلژینات و هیدروکسی آپاتیت/آلژینات -رسیدن به درصد بهینه ساخت جوهر مناسب برای استفاده در پرینت سه بعدی داربست های استخوانی |
| چکیده انگلیسی طرح | Bone scaffolds containing calcium, especially scaffolds made of calcium phosphates and calcium silicates, are among the most widely used tissue engineering structures. The selection of these materials is based on their biocompatibility, bioactivity and mechanical properties, which are very similar to natural bone; But they show different properties. The current research will examine the use of hydroxyapatite and tricalcium silicate, which are the most common materials used in calcium phosphates and calcium silicates, in the field of trabecular bone scaffold applications. For this purpose, a molecular dynamics simulation will be performed to investigate the effect of different concentrations of ceramic nanoparticles when combined with sodium alginate (SA) hydrogel on the construction of bone scaffolds. Two criteria of stability and self-assembly of these composites through several parameters such as solvent accessible surface area (SASA), radius of gyration (Rg), radial distribution function (g(r)), root mean square deviation (RMSD), root mean square fluctuations (RMSF), hydrogen bonding, van der Waals energy, electrostatic energy and total energy will be evaluated. The findings will show how much addition of hydroxyapatite and tricalcium silicate to sodium alginate hydrogel matrix leads to a more compact, stable and less hydrated structure. These findings can potentially help to achieve the optimal mechanical properties of the scaffold and the interaction of scaffold materials with cells. Also, the findings of this research will determine which ceramic nanopowders are recommended for using sodium alginate hydrogel. Hydroxyapatite or tricalcium silicate? Then, laboratory samples of alginate/hydroxyapatite and alginate/tricalcium silicate composite scaffolds will be made and evaluated. Hence, the in silico findings can also be evaluated in the in vitro stage. For this purpose, a rheology test will be performed to determine the rheological properties and viscosity of the composites, and a mechanical properties test will be performed to determine the mechanical properties of the fabricated scaffolds. The results will be published in the form of an article and will be used for the in vivo phase. |
| کلمات کلیدی | هیدروکسی آپاتیت (HAP) سدیم آلژینات (SA) تری کلسیم سیلیکات (TCS) |
| ذینفعان نتایج طرح | ذینفعان طرح حاضر شرکت های داروسازی و صنایع دانش بنیان حوزه تولید جوهرهای زیستی می باشند. |
اطلاعات مجری و همکاران
| نام و نامخانوادگی | سمت در طرح |
|---|---|
| سیما رضوان طلب | همکار اصلی |
| نیما بهشتی زاده | مجری اول (اصلی-هیات علمی) |
اطلاعات تفضیلی
| حوزه خبر | خبر |
|---|---|
| رسانه ها و مردم | عنوان خبر متن خبر |
| متخصصان و پژوهشگران | عنوان خبر داربست های سه بعدی استخوانی بر پایه تری کلسیم سیلیکات پایداری و خودآرائی بهتری نسبت به داربست های سه بعدی بر پایه هیدروکسی آپاتیت داشتند.متن خبر این مطالعه استفاده از هیدروکسی آپاتیت و تری کلسیم سیلیکات را به عنوان دو مورد از متداولترین مواد مورد استفاده کلسیم فسفاتها و سیلیکاتهای کلسیم در کاربردهای مهندسی بافت استخوان بررسی کرد. یک شبیهسازی دینامیک مولکولی برای بررسی تأثیر غلظتهای مختلف نانوذرات سرامیکی در ترکیب با هیدروژل سدیم آلژینات بر ساخت داربستهای استخوانی انجام شد. نتایج نشان داد که ترکیب 10 درصد وزنی هیدروکسی آپاتیت و تری کلسیم سیلیکات در ماتریس هیدروژل سدیم آلژینات معماری متراکمتر، پایدارتر و هیدراته کمتری را به همراه دارد. با این حال، مقایسه نمونههای ده درصد وزنی تری کلسیم سیلیکات و هیدروکسی آپاتیت برتری نمونههای تری کلسیم سیلیکات با محتوای 10 درصد وزنی را در ترکیب با هیدروژل سدیم آلژینات پیشنهاد میکند که نشاندهنده برتری اجزای سیلیکات کلسیم نسبت به کلسیم فسفات از نظر پایداری، خودآرائی و عملکرد مکانیکی است. ویژگی های فوق برای اجرای موثر داربست در حوزه مهندسی بافت استخوان ضروری تلقی می شوند. با این وجود، انجام آزمایشهای پیش بالینی در بدن حیوان برای ارزیابی بیشتر این داربست ها ضروری است. |
| سیاستگذاران درمانی | عنوان خبر متن خبر |
| سیاستگذاران پژوهشی | عنوان خبر متن خبر |
| لینک (URL) مقاله انگلیسی مرتبط منتشر شده 1 |
