استفاده از روش رویه پاسخ در ساخت داربست بهینه کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت/ دیوپساید

محورهای موضوعی : بیومواد

نسرین رفیعی ¹ (دانشجوی دکتری مهندسی متالورژی و مواد، گروه مهندسی مواد، واحد شهرضا، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرضا، ایران.)
سعید کرباسی ² (استاد، گروه بیومتریال و مهندسی بافت، دانشکده فناوری‌های نوین پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران.)
امیرعباس نوربخش ³ (دانشیار، گروه مهندسی مواد، واحد شهرضا، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرضا، ایران.)
کامران امینی ⁴ (دانشیار، مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، واحد مجلسی، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران.)

تاریخ دریافت : 1399/01/12 تاریخ پذیرش : 1399/04/19 تاریخ انتشار : 1400/04/01

کلید واژه: هیدروکسی آپاتیت, مهندسی بافت, روش رویه پاسخ, داربست, دیوپساید, طراحی آزمایش مرکب مرکزی,

چکیده مقاله :

روش رویه پاسخ، مجموعه‌ای از تکنیک های آماری برای طراحی آزمایشات، مدل‌سازی و بررسی اثر فاکتورها بر نتایج و در نهایت بهینه‌سازی فرآیند است. در این تحقیق جهت انتخاب داربست بهینه کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت و دیوپساید، از روش طراحی آزمایش مرکب مرکزی استفاده شده است. این روش با در نظر گرفتن محدوده مشخص برای سه فاکتور مؤثر (درصد هیدروکسی آپاتیت، درصد روانساز و دمای عملیات حرارتی) و تعیین پاسخ مناسب که میزان تخلخل داربست‌ها است، ۲۰ حالت پیشنهادی برای ساخت داربست کامپوزیتی را ارائه داده که پس از ساخت و تعیین درصد تخلخل، حالت بهینه برای ساخت داربست کامپوزیتی، ۵۷/۷۷ درصد وزنی هیدروکسی آپاتیت، (۴۳/۲۲ درصد وزنی دیوپساید) ۶۴/۰ درصد وزنی روانساز (سدیم تری پلی فسفات) و دمای عملیات حرارتی ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد انتخاب گردید. برای تائید قدرت پیش‌بینی مدل‌ به‌دست‌آمده آزمایش‌هایی تحت شرایط بهینه معرفی شده توسط روش طراحی مرکب مرکزی انجام گرفت و نتایج تخلخل سنجی به روش ارشمیدس نشان داد که ۰۹۴/۰ درصد اختلاف بین پاسخ (تخلخل) به‌دست‌آمده و پیش‌بینی شده توسط مدل وجود دارد. همچنین نتایج XRD، FTIR و SEM تأییدکننده این است که نمونه داربست ساخته شده با روش رویهپاسخ یک نمونه ایده آل جهت استفاده در مهندسی بافت استخوان است. به‌طورکلی با توجه به نتایج این تحقیق، روش رویه پاسخ می‌تواند، ابزاری سودمند برای بهینه‌سازی داربست‌های کامپوزیتی در مهندسی بافت باشد.

چکیده انگلیسی:

The response surface methodology is a statistical approach to design the experiments, modeling and analysis of the effective factors as well as to help optimizing the process. In this study, we use the central composite design technique to select the optimum scaffold composite of the Hydroxyapatite and Diopside. This method suggested twenty different scaffold specimens by optimizing the suitable percentage of porosity via determining the percentage weight concentrations of the three effective parameters. After making the scaffold and determining their porosity, the optimum case for composite scaffolds was 77.57 wt% nHA (22.43wt% Di), 0.64wt% lubricant (STPP) and heat treatment temperature 1200. Also, the results of SEM, FTIR, and XRD confirm that the scaffold specimen made with the response method is an ideal specimen for use in bone tissue engineering. In general, according to the results of this research, the response surface methodology can be a useful tool for optimizing composite scaffolds in tissue engineering.

منابع و مأخذ:

[1] W. Suchanek & M. Yoshimura, "Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants", Journal of Materials Research, vol. 13, no. 1,  pp. 94-117, 1998.

 

[2] S, Teixeira, M. Rodriguez, P. Pena, A. De Aza, S. De Aza, M. Ferraz & F. Monteiro, "Physical characterization of hydroxyapatite porous scaffolds for tissue engineering", Materials Science and Engineering: C, vol. 29, no. 5, pp. 1510-1514, 2009.

 

[3] ن. رفیعی و ا. کرمیان، "بررسی زیست فعالی نانو کامپوزیت آپاتیت طبیعی- دیوپساید متراکم سازی شده به روش زینترینگ دومرحله‌ای جهت مصارف پزشکی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، شماره 2،  ۱۳۹۵.

 

[4] T. Nonami, "Developmental study of diopside for use as implant material", MRS Online Proceedings Library Archive, vol. 252, 1991.

 

[5] M. Fathi & M. Kharaziha, "Mechanochemical synthesis and characterization of nanostructure forsterite bioceramics", International Journal of Modern Physics B, vol. 22, no. 18,19,  pp. 3082-3091, 2008.

 

[6] X. Ren, Q. Tuo, K. Tian, G. Huang, J. Li, T. Xu, X. Lv, J. Wu, Z. Chen & J. Weng, "Enhancement of osteogenesis using a novel porous hydroxyapatite scaffold in vivo and vitro", Ceramics International, vol. 44, no. 17, pp. 21656-21665, 2018.

 

[7] س. راهوی، ا. منشی، ر.ا. عمادی و م. فتحی، "بررسی و مشخصه یابی هیدروکسی آپاتیت نانوکریستال مشتق از استخوان انسان"، اولین همایش ملی نانومواد و نانو تکنولوژی، شاهرود، سیویلیکا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شاهرود، ۱۳۹۰.

 

[8] M. Zhang, C. Liu, J. Sun & X. Zhang, "Hydroxyapatite/diopside ceramic composites and their behaviour in simulated body fluid", Ceramics International, vol. 37, no. 6, pp. 2025-2029, 2011.

 

[9] S. Sadeghzade & R. Emadi, "Improving the mechanical and bioactivity of hydroxyapatite porous scaffold ceramic with diopside/forstrite ceramic coating", Nanomedicine Journal, vol. 6, no. 1, pp. 50-54, 2019.

 

[10] م. فروغی، ب.ن. تبریزی، س. کرباسی و ر. ابراهیمی کهریزسنگی، "مقایسه ساختاری هیدروکسی آپاتیت نانو کریستال طبیعی و سنتز شده". هفدهمین کنفرانس مهندسی پزشکی ایران، اصفهان، انجمن مهندسی پزشکی ایران، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، ۱۳۸۹.

 

[11] A. Kazemi, M. Abdellahi, A. Khajeh-Sharafabadi, A, Khandan & N. Ozada, "Study of in vitro bioactivity and mechanical properties of diopside nano-bioceramic synthesized by a facile method using eggshell as raw material", Materials Science and Engineering: C, vol. 71 pp. 604-610, 2017.

 

[12] T. Nonami, "In vivo and in vitro testing of diopside for biomaterial", Journal of the Society of Materials Engineering for Resources of Japan, vol. 8, no. 2, pp. 12-18, 1996.

 

[13] R. Hodgskinson & J. Currey, "The effect of variation in structure on the Young's modulus of cancellous bone: a comparison of human and non-human material", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, vol. 204, no, 2, pp. 115-121, 1990.

 

[14] H. R. Ramay & M. Zhang, "Preparation of porous hydroxyapatite scaffolds by combination of the gel-casting and polymer sponge methods", Biomaterials, vol. 24, no. 19, pp. 3293-3302, 2003.

 

[15] E. Saiz, L. Gremillard, G. Menendez, P. Miranda, K. Gryn A. P. Tomsia, "Preparation of porous hydroxyapatite scaffolds", Materials Science and Engineering: C, vol. 27, no. 3, pp. 546-550, 2007.

 

[16] F. Scalera, F. Gervaso, K. Sanosh, A. Sannino & A. Licciulli, "Influence of the calcination temperature on morphological and mechanical properties of highly porous hydroxyapatite scaffolds", Ceramics International, vol. 39, no. 5, pp. 4839-4846, 2013.

 

[17] J. Ko, N. K. Mohtaram, F. Ahmed, A. Montgomery, M. Carlson, P. C. Lee, S. M. Willerth & M. B. Jun, "Fabrication of poly (ϵ-caprolactone) microfiber scaffolds with varying topography and mechanical properties for stem cell-based tissue engineering applications", Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, vol. 25, no. 1, pp. 1-17, 2014.