جراحی ترمیمی کانال عصبی با داربست هدایت عصبی خودتحریک به منظور رشد و تکثیر سلول‌های شبه عصبی PC12

نویسندگان

1 محقق، گروه مهندسی پزشکی، گرایش بیومتریال، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم تحقیقات تهران

2 استادیار گروه مهندسی پزشکی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شهرکرد

چکیده
زمینه و هدف: تاکنون مطالعـات مختلف در راستای طرح روش‌های گوناگون برای ساخت کانال عصبی با هدف ترمیم بافت عصبی انجـام شده است. هـدف از این مطالعه، جراحی ترمیمی عصب با ساخت کانال هدایت عصبی با هدف خاصیت خودتحریکی است. در این مطالعه، کانال پلی کاپرولاکتون [Polycaprolactone- (PCL)] و پلی وینیدیلین فلوراید [Polyvinylidene Fluoride- (PVDF)]، در ترکیب با نانوذرات پلی آنیلین/گرافن [Polyaniline Graphene- (PAG)] و ژلاتین با رویکرد الکتروریسی دوطرفه و هم‌زمان تهیه شد. در این روش کانال هدایت عصبی خود تحریک‌شونده با خاصیت پیزوالکتریک و هدایت الکتریکی به منظور رشد و تکثیر سلول‌های شبه عصبی PC12 طراحی شده است. مواد و روش‌ها: در ابتدا محلول‌های حاوی 13 درصد وزنی حجمی پلی کاپرولاکتون و 19 درصد وزنی حجمی پلی وینیدیلین فلوراید در حلال مشترک دی متیل فرمامید [Dimethylformamide- (DMF)] و استون، هر کدام به‌صورت مجزا حل شد و سپس هر دو محلول با هم مخلوط شدند. در مرحله بعد، 28 درصد وزنی حجمی محلول ژلاتین در آب مقطر و اسید استیک، حل شد و نانوذرات پلی آنیلین/گرافن با درصدهای 0 و 1 و 2 و 3 وزنی حجمی در محلول ژلاتین به‌صورت همگن ترکیب شدند و سپس فرآیند الکتروریسی دوطرفه و هم‌زمان انجام گرفت. برای بررسی مورفولوژی الیاف از میکروسکوپ الکترونی روبشی [Scanning Electron Microscope- (SEM)] استفاده شد. برای تشخیص میزان بهینه از نانوذرات پلی آنیلین/گرافن به منظور هدایت عصبی، هدایت الکتریکی و خواص پیزوالکتریک داربست‌های ساخته‌شده بررسی شد و همچنین میزان درصد زنده‌مانی رده سلولی فئوکروسیتوما (PC12) بر داربست محاسبه شد. داده‌ها به‌صورت میانگین ± انحراف معیار (Mean ± SD) محاسبه شد. سطح معنادار اختلافات P < 0.05 مشخص شد. یافته‌ها: با استفاده از نرم‌افزار Graph Pad 9 و آزمون One Way ANOVA، داده‌ها با سه بار تکرار هر آزمون به دست آمده‌اند. نتایج نشان داد که با افزایش درصد نانوذرات پلی آنیلین/گرافن تا 2 درصد وزنی، میزان هدایت الکتریکی و ولتاژ خروجی افزایش یافت، اما در غلظت 3 درصد وزنی میزان هدایت الکتریکی و هم‌چنین ولتاژ خروجی کاهش یافت. مشاهدات میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که میانگین قطر نانوالیاف تا غلظت 2 درصد وزنی کاهش یافت، اما در غلظت 3 درصد وزنی از نانوذرات پلی آنیلین/گرافن قطر نانوالیاف افزایش یافت. هم‌چنین تخریب زیستی داربست‌های الکتروریسی نشان داد که افزایش نانوذرات سبب کاهش میزان تخریب‌پذیری شد. نتیجه‌گیـری: در جراحی ترمیمی عصب وجود پلی کاپرولاکتون و ژلاتین به همراه نانوذره پلی آنیلین/گرافن باعث افزایش هدایت عصبی شد و همچنین استفاده از پلی وینیدیلین فلوراید در داربست الکتروریسی شده سبب بهبود خاصیت خودتحریکی در کانال هدایت عصبی خواهد شد که می‌تواند بستر مناسب برای رشد و تکثیر سلولی بافت عصب شود و از این رو احتمال موفقیت در جراحی را به بیشترین میزان خود می‌رساند.

کلیدواژه‌ها


1. L. Ghasemi-Mobarakeh, M.P. Prabhakaran, M. Morshed, M.H. Nasr-Esfahani, S. Ramakrishna, Electrospun poly (epsilon-caprolactone) gelatin nanofibrous scaffolds for nerve tissue engineering, Biomaterials 29(34), (2008), 4532-9.
2. T. Jiang, E.J. Carbone, K.W.H. Lo, C.T. Laurencin, Electrospinning of polymer nanofibers for tissue regeneration, Progress in Polymer Science 46 (2015) 1-24.
3. J. Dulnik, D. Kołbuk, P. Denis, P. Sajkiewicz, The effect of a solvent on cellular response to PCL/gelatin and PCL/collagen electrospun nanofibres, European Polymer Journal 104 (2018), 147-156.
4. S. Khorshidi, A. Solouk, H. Mirzadeh, S. Mazinani, J.M. Lagaron, S. Sharifi, S. Ramakrishna, A review of key challenges of electrospun scaffolds for
tissue-engineering applications, Journal of tissue engineering and regenerative medicine 10(9), (2016), 715-38.
5. Y. Cheng, Y. Xu, Y. Qian, X. Chen, Y. Ouyang, W.-E. Yuan, 3D structured self-powered PVDF/PCL scaffolds for peripheral nerve regeneration, Nano Energy 69 (2020), 104411.
6. S.-W. Peng, C.-W. Li, I.-M. Chiu, G.-J. Wang, Nerve guidance conduit with a hybrid structure of a PLGA microfibrous bundle wrapped in a micro / nanostructured membrane, Int J Nanomedicine 12 (2017), 421-432.
7. M. Sarker, S. Naghieh, A.D. McInnes, D.J. Schreyer, X. Chen, Strategic Design and Fabrication of Nerve Guidance Conduits for Peripheral Nerve Regeneration, Biotechnology journal 13(7), (2018), e1700635.
8. Y. Wang, H. Tan, X. Hui, Biomaterial Scaffolds in Regenerative Therapy of the Central Nervous System, BioMed research international 2018 (2018), 7848901.
9. N.S. Binulal, A. Natarajan, D. Menon, V.K. Bhaskaran, U. Mony, S.V. Nair, PCL-gelatin composite nanofibers electrospun using diluted acetic acid-ethyl acetate solvent system for stem cell-based bone tissue engineering, J Biomater Sci Polym Ed 25(4), (2014), 325-340.
10.    Y. Zhang, H. Ouyang, C.T. Lim, S. Ramakrishna, Z.M. Huang, Electrospinning of gelatin fibers and gelatin/PCL composite fibrous scaffolds, Journal of biomedical materials research. Part B, Applied biomaterials 72(1), (2005), 156-65.
11.    S.Ö. Gönen, M.E. Taygun, S. Küçükbayrak, Effects of Electrospinning Parameters on Gelatin/Poly
(ϵ-Caprolactone) Nanofiber Diameter, 38(5), (2015), 844-850.
12.    M. Heidari, S.H. Bahrami, M.
Ranjbar-Mohammadi, P.B. Milan, Smart electrospun nanofibers containing PCL/gelatin/graphene oxide for application in nerve tissue engineering, Materials Science and Engineering: C 103 (2019), 109768.
13.    P.B. Malafaya, G.A. Silva, R.L. Reis, Natural-origin polymers as carriers and scaffolds for biomolecules and cell delivery in tissue engineering applications, Advanced drug delivery reviews 59(4-5) (2007), 207-33.
14.    H. Baniasadi, S.A.A. Ramazani, S. Mashayekhan, Fabrication and characterization of conductive chitosan/gelatin-based scaffolds for nerve tissue engineering, International journal of biological macromolecules 74 (2015), 360-6.
15.    J. Ratanavaraporn, R. Rangkupan, H. Jeeratawatchai, S. Kanokpanont, S. Damrongsakkul, Influences of physical and chemical crosslinking techniques on electrospun type A and B gelatin fiber mats, International journal of biological macromolecules 47(4), (2010), 431-8.
16.    J. Huang, L. Lu, J. Zhang, X. Hu, Y. Zhang, W. Liang, S. Wu, Z. Luo, Electrical stimulation to conductive scaffold promotes axonal regeneration and remyelination in a rat model of large nerve defect, PloS one 7(6), (2012), e39526.
17.    C.E. Schmidt, V.R. Shastri, J.P. Vacanti, R. Langer, Stimulation of neurite outgrowth using an electrically conducting polymer, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 94(17), (1997), 8948-53.
18.    C. Merlini, G.M.d.O. Barra, S.D.A.d.S. Ramôa, G. Contri, R.d.S. Almeida, M.A. d’Ávila, B.G. Soares, Electrically Conductive Polyaniline-Coated Electrospun Poly(Vinylidene Fluoride) Mats, 2(14), (2015).
19.    Q.V. Thi, S. Lim, E. Jang, J. Kim, N. Van Khoi, N.T. Tung, D. Sohn, Silica particles wrapped with poly(aniline-co-pyrrole) and reduced graphene oxide for advanced microwave absorption, Materials Chemistry and Physics 244 (2020), 122691.
20.    M. Mohseni, A.R. S. A, F. H Shirazi,
N.H. Nemati, Preparation and characterization of
self-electrical stimuli conductive gellan based nano scaffold for nerve regeneration containing chopped short spun nanofibers of PVDF/MCM41 and polyaniline/graphene nanoparticles: Physical, mechanical and morphological studies, International journal of biological macromolecules 167 (2021), 881-893.
21.    M. Yadollahi, S. Farhoudian, S. Barkhordari, I. Gholamali, H. Farhadnejad, H. Motasadizadeh, Facile synthesis of chitosan/ZnO bio-nanocomposite hydrogel beads as drug delivery systems, International journal of biological macromolecules 82 (2016), 273-278.
22.    N. Abzan, M. Kharaziha, S. Labbaf, Development of three-dimensional piezoelectric polyvinylidene fluoride-graphene oxide scaffold by non-solvent induced phase separation method for nerve tissue engineering, Materials & Design 167 (2019), 107636.
23.    M. Soleimani, S. Mashayekhan, H. Baniasadi, A. Ramazani, M. Ansarizadeh, Design and fabrication of conductive nanofibrous scaffolds for neural tissue engineering: Process modeling via response surface methodology, Journal of biomaterials applications 33(5), (2018), 619-629.
24.    M. Mohammadi, A. Ramazani SaadatAbadi,
S. Mashayekhan, R. Sanaei, Conductive
multichannel PCL/gelatin conduit with
tunable mechanical and structural properties for peripheral nerve regeneration, 137(40), (2020), 49219.