بررسی نقش متیل سلولز در ساختار هیدروژل حساس به گرما به‌عنوان سامانه قابلتزریق برای کاربرد در مهندسی بافت نرم: ساخت و شناسایی
محورهای موضوعی : شیمی تجزیهسوگل مطلبی طلاتپه 1 , مازیار شریف زاده بائی 2 , سعید حیدری کشل 3
1 - دانشجوی دکتری، گروه مهندسی شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد آیت ا... آملی، آمل، ایران
2 - دانشیار گروه مهندسی شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد آیت ا... آملی، آمل، ایران
3 - استادیار گروه مهندسی بافت و علوم سلولی کاربردی، دانشگاه علوم و پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران
کلید واژه: متیل سلولز, مهندسی بافت نرم, هیدروژل حساس به گرما, سازگاری زیستی,
چکیده مقاله :
یکی از چالش‌های پایهای در مهندسی بافت، انتخاب نوع بسپار و طراحی ساختار مناسب برای هیدروژل‌ها است. در این بررسی، برای ساخت بسترهای هیدروژلی با قابلیتتزریق، حساس به گرما، ویژگی فیزیکی و مکانیکی مشابه با بافت‌های نرم بدن، هیدروژل ان-ایزوپروپیل آکریل آمید/ اکریلیک اسید/ ان-اکریلوسوکسینامید/2-هیدروکسیاتیل متاکریلات‌پلی‌لاکتید (NIPAAm/AAC/NAS/HEMAPLA) با روش بسپارش حلقه باز در نسبت‌های مولی متفاوت ساخته شد. هیدروژل گروه 1 با نسبت مولی10/5/5/80 به‌عنوان گروه ایده‌ال درنظر گرفته شد. برای بهبود ویژگی هیدروژل، متیل سلولز به گروه گفتهشده، افزوده شد (گروه4). ویژگی فیزیکوشیمیایی، مکانیکی و زیستی هیدروژل‌ها نیز موردبررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد، نسبت مولی بسپارها در افزایش آب‌دوستی، تخلخل، کشسانی مشابه با بافت نرم و بهبود تکثیر سلولی، نقش مهمی را ایفا میکند. حضور متیل سلولز نیز منجر به بهبود ویژگیهای یادشده می‌شود. هیدروژل‌های گروه‌های 1 و 4 در مقایسه با گروه-های دیگر، به‌دلیل آب‌دوستی بالای 51 % و مدول کشسانی مشابه با بافت قلب (بهترتیب 22/79 % و 1/68 کیلوپاسگال) و سازگاریزیستی بالای 94 %، محیط ایده‌الی را برای بهبود فعالیت‌های سلولی ایجاد می‌کنند. به نظر میرسد هیدروژل‌های یادشده (گروه‌های1 و 4) توانایی پیروی از بافت‌های نرم مانند قلب را دارند و در روند ترمیم و بازسازی مؤثر خواهند بود. از سوی دیگر، این هیدروژل‌های قابلتزریق و حساس به گرما امکان مخلوطشدن یکنواخت سلول‌ها و عاملهای رشد را فراهم می‌کنند و میتوانند در سلول درمانی بافت‌های نرم نیز کاربردی باشند.
One of the challenges in tissue engineering is polymer material selection and design of a suitable structure for hydrogels. In this study, N-isopropylacrylamide/Acrylic acid/N-Acryloxysuccinicimide/2-Hydroxyethyl methacrylate-poly lactide hydrogel (NIPAAm/AAC/NAS/HEMAPLA) was prepared with various molar ratio by ring-opening polymerization method to fabricate hydrogel substrate with properties of injectability, thermosensitive, physical and mechanical similar of soft tissues. The hydrogel with the ratio of 80/5/5/10 was selected as ideal groups (group 1). Methylcellulose was also used in the hydrogel structure to improve quality of the hydrogel (group 4). Then, the physicochemical, mechanical and biological properties of the hydrogels were evaluated. The results showed, molar ratio of polymers not only plays an important role in enhancing hydrophilicity, porosity, elastic modulus-like soft tissues, and cell proliferation, but also the presence of methyl cellulose lead to the improvement of the mentioned properties. So that, hydrogels of groups 1 and 4 provide an ideal environment for improving cellular activities due to hydrophilicity of more than 51%, elastic modulus-like cardiac tissues (68.1 kPa and 79.22 kPa, respectively), biocompatibility above 90%, with compared to other groups. It seems that the mentioned hydrogels (1 and 4 groups) can imitate soft tissue properties such as cardiac and be effective to regenerate and repair. In the other hand, these thermosensitive and inject ability hydrogels lead to a uniform mixing of cells and growth factors, as well as can apply to the cell therapy of soft tissue.
[1] Thomas, D; Brien, T.O.; Pandit, A.; Adv. Mater. 30, 1870006-1870016, 2018.
[2] Waliullah,M. S.; Gan, Y. X.; Chen, A.D.; Gan, R.N.; Materials 2, 6351-6358, 2018.
[3] Hasan, A.A.; Khattab, M.A. Islam, K.A.; Hweij, J.; Zeitouny, R.; Waters, M.; Sayegh, M.M.; Paul, A.; Adv. Sci. 2, 1500122-1500126, 2015.
[4] Li, Z.; Fan, Z.Y.; Xu, H.; Niu, X.; Xie, Z.; Guan, J.; ACS Appl. Mater. Interfaces. 8, 15948–15957, 2016.
[5] Wang, F.Z.; Li, M.; Khan, K.; Tamama, P.; Kuppusamy, W.R.; Wagner, C.K.; Guan, J. Acta Biomater. 6, 1978–1991, 2010.
[6] French, K.M.; Boopathy, A.V.; DeQuach, J.A.; Chingozha, L.; Lu, H.; Christman, K.L.; Acta Biomater. 8, 4357–4364, 2012.
[7] Martino, S.F.; Angelo, D.; Armentano, I.J.; Kenny, M.; Orlacchio, A.; Biotechnol. Adv. 30, 338–351, 2012.
[8] Tang, Y.; Wang, X.; Li, Y.; Lei, M.; Du, Y.; Kennedy, J.F.; Carbohydr. Polym. 82, 833–841, 2010.
[9] Reynolds, D.B.; Repperger, D.W. ; Phillips, C.A.; Ann. Biomed. Eng. 31, 310–317, 2003.
[10] Taşdelen, B.N.; Kayaman-Apohan, Z.; MISIrlI, O.; Baysal, B.M.; J. Appl. Polym. Sci. 97, 1115–1124, 2005.
[11] Ullah, F.M.; Othman, B.H.; Javed, F.Z.; Akil, H.M.; Mater. Sci. Eng. C. 57, 414–433, 2015.
[12] Baei, P., Jalili-Firoozinezhad, S.S.; Rajabi-Zeleti, M.; Tafazzoli-Shadpour, H.; Aghdami, N.; Mater. Sci. Eng. C. 63, 131–141, 2016..
[13] Sepantafar, M.R.; Maheronnaghsh, H.; Mohammadi, S.; Rajabi-Zeleti, N.; Annabi, N.; Baharvand, H.; Biotechnol. Adv. 34, 362–379, 2016.
[14] Fathi, A.; Mithieux, S.M.; Wei, H.; Chrzanowski, W.P.; Valtchev, A.S.; Dehghani, F.; Biomaterials 35, 5425–5435, 2014.
[15] Yoshizumi, T.; Zhu, Y.; Jiang, H.; D’Amore, A.; Sakaguchi, H.; Wagner, W.R.; Biomaterials 83, 182–193, 2016.
[16] Morkhande, V.K.; Pentewar, R. S.; Gapat, V.S.; Sayyad, R.; Sandip, K.; Indo Am. J. Pharm. Res. 6, 4678–4689, 2016.
[17] Deng, C.; Zhu, H.; Li, J.; Feng, C.; Yao, Q.; Wang, L.; Chang, J.; Theranostics 8, 1940–1955 , 2018.
[18] Chen,G.; Kawazoe, N.; Pharmaceutics 8, 171-191, 2018.
[19] Madry, H.P.; Cucchiarini, M.; Cartilage 2, 201–225, 2011.
[20] Xu,Y.; Li, Z.; Li, X.; Fan, Z.; Liu, Z.; Xie, X.; Guan, J.; Acta Biomater. 26, 23–33, 2015.
[21] Smith, A.W.; Hoyne, J.D.; Nguyen, P.K.; McCreedy, D.A.; Aly, H.; Efimov, I.R.; Rentschler, S.; Elbert, D.L.; Biomaterials 34, 6559–6571, 2013.
[22] Kondiah, P.; Choonara,Y.; Kondiah,P.; Marimuthu,T.; Kumar,P.; Pillay,V.; Molecules 21, 1580-1586, 2016.
[23] Stabenfeldt, S.E.; García, A.J.; LaPlaca, M.C.; J. Biomed. Mater. Res. Part A. 77A, 718–725, 2006.
[24] Chalanqui, M.J.; Pentlavalli,S.; McCrudden,C.; Chambers,P.; McCarthy,H.O.; Mater. Sci. Eng. C. 95, 409–421, 2017.
[25] Yang, J.; IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 504, 12013-12018, 2019.
[26] Miao, L.; Hu, J.; Lu, M.; Tu,Y.; Chen, X.; Li,Y.; Lin, S.; Li, F.; Carbohydr. Polym. 137, 433–440, 2016.
[27] Yang, H.R.; van Ee, J.; Timmer, K.E.; Craenmehr, G.M.; Huang, J.H.; Öner, F.C.; Dhert, W.J.; Kragten, H.M.; Willems, N.G.; Papen-Botterhuis, N.E.; Creemers, L.B.; Acta Biomater. 23, 214–228, 2015.
[28] Li, Z.; Fan, Z.; Xu,Y.; Lo,W.; Wang, X.; Niu, H.; Khan,M.; Guan, J.; ACS Appl. Mater. Interfaces. 8, 10752–10760, 2016.
[29] Guan, J.; Hong,Y.; Ma, Z.; Wagner,W.R.; Biomacromolecules 9, 1283–1292, 2008.
[30] Luo, K.; Yang,Y.; Shao, Z.; Adv. Funct. Mater. 26, 872–880, 2016.
[31] Sun, W.; Incitti,T.; Migliaresi, C.; Quattrone, A.; Casarosa, S.; J. Tissue Eng. Regen. Med. 11, 1532–1541, 2017.
[32] Chang, C.; Zhang, L.; Carbohydr. Polym. 84, 40–53, 2011.
[33] Gold, G.T.; Varma,D.M.; Taub, P.J.; Nicoll, S.B.; Carbohydr. Polym. 134, 497–507, 2015.
[34] Rokhade, A.P.; Shelke, N.B.; Patil,S.A.; Aminabhavi,T.M.; Carbohydr. Polym. 69, 678–687, 2007.
[35] Bai, Y.; Chen, B.; Xiang, F.; Zhou, J.; Wang, H.; Suo, Z.; Appl. Phys. Lett. 105, 151903-151909, 2014.
[36] Zhou, J.; Zhang, B.; Liu, X.; Shi, L.; Zhu, J.; Wei, D.; Zhong, J.; Sun, G.; He, D.; Carbohydr. Polym. 143, 301–309, 2016.
[37] Dehghani, S.; Rasoulianboroujeni, M.; Ghasemi, H.; Keshel, S.H.; Nozarian, Z.; Hashemian, M.; Zarei-Ghanavati, N.M.; Latifi, G.; Ghaffari,R.; Cui, Z.; Ye, H.; Tayebi, L.; Biomaterials 174, 95–112, 2018.
[38] Parmar, I.A.; A. Shedge, S.M.; Badiger, V.P.; Wadgaonkar, P.; RSC Adv. 7, 5101–5110, 2017.
[39] Li, X.; Zhou, J.; Liu, Z.; Chen, J.; Lü, S.; Sun, H.; Li, J.; Lin, Q.; Yang, B.; Duan, C.; Xing, M.M.; Wang, C.; Biomaterials, 35(22), 5679–5688, 2014.
[40] Mehrasa, M.M.; Asadollahi, A.; Ghaedi, K.; Salehi, H.; Arpanaei, A.; Int. J. Biol. Macromol. 79, 687–695, 2015.
[41] Meng, Z.X.; Xu, X.X.; Zheng, W.; Zhou, H.M.; Li, L.; Zheng,Y.F.; Colloids Surfaces B Biointerfaces 84, 97–102, 2011.
[42] Ramier, J.; Bouderlique, T.; Stoilova, O.; Manolova, N.I.; Langlois,V.; Renard, E.; Albanese, P.; Grande, D.; Mater. Sci. Eng. C. 38, 161–169, 2014.
[43] Rosa,V.; Xie, H.; N. Dubey, T.T.; Madanagopal, S.S.; Morin, J.L.; Castro Neto, A.H.; Dent. Mater. 32, 1019–1025, 2016.
[44] Arima,Y.; Iwata, H.; Biomaterials 28, 3074–3082, 2007.
[45] Crawford, R.J.; Ivanova, E.P.; Webb, H.K.; Superhydrophobic Surfaces 14, 27–49, 2015.
[46] Menzies, K.L.; Jones, L.; Optom. Vis. Sci. 87, 387–399, 2010.
[47] Shi,X.; Lu, S.; Xu, W.; Mater. Chem. Phys. 134, 657–663, 2012.
[48] Sengupta, P.; Prasad, B.L.V.; Regen. Eng. Transl. Med. 4, 75-91, 2018.
[49] Laurencin,C.; Nair, L.; "Nanotechnology and Regenerative Engineering", CRC Press, Boca Raton, 2014.
[50] Li, Z.; Guo, X.; Palmer, A.F.; Das, H.; Guan, J.; Acta Biomater. 8, 3586–3595, 2012.
[51] Chaudhuri, R.; Ramachandran, M.; Moharil, P.; Harumalani, M.; Jaiswal, A.K.; Mater. Sci. Eng. C. 79, 950–957, 2017.
[52] Billiet, T;. Vandenhaute, M.; Schelfhout, J.; Van Vlierberghe, S.; Dubruel, P.; Biomaterials 33, 6020–6041, 2012.
[53] Pezeshki Modaress, M.; Mirzadeh,H.; Zandi, M.; Iran. Polym. J. 21, 191–200, 2012.
[54] Madden, L.R.; Mortisen, D.J.; Sussman, E.M.; Dupras, S.K.; Murry, C.E.; Ratner, B.D.; Proc. Natl. Acad. Sci. 107, 15211–15216, 2010.
[55] Jose, M.; Thomas, V.K.; Johonson, D.; Nyairo, E.; Acta Biomater. 5, 305–315, 2009.