Nanocomposite scaffolds containing metal nanoparticles

Abstract

Nowadays metal–polymer nanocomposites are the subject of increased interest due to their potential to combine the features of polymers with inorganic materials. Specifically, the combination of a natural polymer (biopolymer) and metal nanoparticles is highly appealing because of the individual antibacterial activity of the metal nanoparticle components, and the possibility to generate a biodegradable and biocompatible composite. The bioactivity of composites can be achieved by using bioactive inorganics such as hydroxyapatite, bioactive glasses. This study aims to combine metal-polymer-bioactive glass to fabricate new nanocomposite materials by using electrospinning method. For this purpose, polymer solutions containing bioactive glass (45S5) particles and/or metal nanoparticles (silver and copper nanoparticles) were prepared and then, they were electrospun into nanofibers under the relevant process conditions (i.e., solution concentration, applied voltage, tip-to-collector distance, flow rate, and etc.). Gelatin as a natural polymer and poly (Ɛ-caprolactone) (PCL) and polyvinyl alcohol (PVA) as synthetic polymers were employed in the experimental studies. Bioactive glass used in this study was fabricated by classical melt-derived method, while copper and silver nanoparticles were prepared by using biopolymers (soluble starch and sodium alginate) as the capping agents. Membranes were produced with a certain fiber diameter by using Box-Behnken design, which is a statistical experimental design method and characterization studies of these membranes were carried out.The crystalline structure of the produced bioactive glasses and metal nanoparticles were analyzed by X-ray diffraction (XRD) technique. Moreover, the surface morphology and the crystalline structure of the electrospun nanofibrous scaffolds were examined by the help of a scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffractometer (XRD). Changes in the structures of the obtained nanoparticles and membranes were detected by using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric analysis (TGA) was performed to determine the thermal behavior of nanofiber membranes and copper nanoparticles. Furthermore, the in vitro degradation behavior of the scaffolds were investigated by using simulated body fluid (SBF). In addition, the bioactivity and the biocompatibility of the nanofibrous scaffolds were also investigated through in-vitro bioactivity tests and cell culture studies. Moreover, the antibacterial or antifungal effects of the obtained nanoparticles and membranes were determined. Finally, therapeutic ions release from the nanofibrous scaffolds were investigated by using inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). As a result of all these characterization studies, it was concluded that the nanofiber membranes obtained in this study have a potential for tissue engineering applications.

Doku mühendisliği, doku ve organ kayıplarında kimya, fizik, mühendislik ve klinik bilimlerin prensiplerinin geliştirilmesine ve uygulanmasına dayanan ve vücuttaki doku işlevlerini restore eden, sürdüren veya geliştiren yapı iskelesi adı verilen biyolojik fonksiyonel ikameler tasarlamayı amaçlayan disiplinlerarası bir alandır. Bu yaklaşımda; kolajen, glikozaminoglikanlar, retiküler lifler ve elastin dahil olmak üzere nano ölçekli boyutlardaki lifli yapılardan oluşan hücrelerin ve hücre dışı matrisinin etkileşimleri kritik öneme sahiptir. Hücre dışı matris, hücrelere belirli bir dokuya farklılaşmaları için yapısal bütünlük ve biyokimyasal bilgi sağlar. Doku mühendisliğinin araştırma alanı, hücre dışı matris moleküllerini taklit eden belirli mekanik, biyolojik ve mimari özelliklere sahip yapı iskelelerinin üretimine odaklanmıştır. Doku mühendisliği iskelesi, hücre dışı matrisin yerini alan ve doğal bir hücre dışı matrisin oluşumu sırasında hücrelere geçici destek sağlayan üç boyutlu bir biyomalzemedir. Bir doku iskelesi tasarlanırken, üretilen malzemenin biyouyumluluğu, biyobozunurluğu, sterilize edilebilirliği ve doğal dokuya benzeyen mekanik özellikler gibi gereksinimleri sağlanmalıdır. Ek olarak, birbirine bağlı gözenek yapısı ve yüksek gözeneklilikleri; hücre bağlanmasını, çoğalmasını ve farklılaşmasını, ayrıca besinlerin taşınmasını ve atık olarak çıkan iskele bozunma ürünlerinin difüzyonunu sağlamalıdır. Doğal insan dokularının hücre dışı matrisi, makromoleküller (yani glikozaminoglikanlar, kollajen, elastin, proteoglikanlar, retiküler lifler ve polisakkaritler) ve inorganik maddeden oluşmaktadır. Hücre dışı matris makromoleküllerinin mimarisi, uzunluk/çap oranı 100'den fazla olan ve 500 nm'den az olan lifli bir yapıya sahiptir. Bu nedenle, nanoliflerin gözenekli yapıları ile yüksek yüzey alanı/hacim oranını birleştiren nanolif matların kullanılması, doku mühendisliği uygulamalarında iskeleler geliştirmek için ideal bir seçimdir. Bugüne kadar, nanolif iskeleler, deri, kemik, kıkırdak, bağ, iskelet kası, vasküler ve nöral dokular gibi doku mühendisliği uygulamaları için faz ayırma, kendi kendine düzenlenme ve elektrospinning dahil olmak üzere çeşitli tekniklerle üretilmektedir. Bu teknikler arasında elektrospinning, doku iskelesinde yaygın olarak kullanılan basit, ucuz ve çok yönlü bir yaklaşımdır. İlaç salımı, yara iyileşmesi, kemik dokusu mühendisliği, üç boyutlu hücre substratı, cilt dokusu mühendisliği, tıbbi implantlar ve doku mühendisliği iskeleleri gibi spesifik uygulamalar için çeşitli sentetik polimerler, doğal polimerler ve bu polimerlerin diğer malzemelerle kombinasyonları kullanılarak elektrospinning yöntemi ile membranlar üretilmektedir. Sentetik polimerler bu uygulamalarda ana gövde görevi görür, çünkü ayarlanabilir mekanik özellikleri (viskoelastisite ve mukavemet), kolay işlenebilirliği, az maliyetli olmaları, kontrol edilebilir bozunma oranları ve farklı fizikokimyasal özellikleri sayesinde daha geniş bir özellik yelpazesi verecek şekilde uyarlanabilirler. Biyomedikal uygulamalarda kullanılan tipik sentetik polimerler; poli (laktik asit) (PLA), poli (glikolik asit) (PGA), poli (Ɛ-kaprolakton) (PCL), poli (hidroksil bütirat) (PHB), poli (laktik asit- ko-glikolik asit) (PLGA), poligliserol sebakat (PGS), poli (vinil alkol) (PVA), polietilen oksit, poliamid (PA) poliimid (PI), poli (ester amit) (PEA), poliüretan (PU), polietilen glikol (PEG) gibi polimerlerdir. Bununla birlikte, bu polimerlerin hücre tanıma özelliklerinin olmaması, biyoaktivite ve biyouyumluluk gibi özellikleri karşılayamamaları, bu polimerlerin biyomedikal amaçlarla uygulanmalarını kısıtlamaktadır. Aksine, doğal polimerler yeterli biyouyumluluk, hücre afinitesi, biyobozunurluk ve hidrofiliklik gösterir. Polisakkaritler (nişasta, aljinat, kitin/kitosan, hiyalüronik asit türevleri, aljinat, bakteriyel selüloz, heparin, agaroz) ve proteinler (soya, kollajen, fibrin jelleri, ipek, jelatin, ipek fibroin, keratin, jelatin) doğal polimerler olarak doku mühendisliği uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu polimerlerin dezavantajları düşük mekanik özellikleri ve yüksek bozunabilirlikleridir. Bunlara ek olarak, sentetik biyomalzemelerin dayanıklılığını arttırmak için organik ve inorganik malzemelerden oluşan kompozit malzemeler üretilmektedir. Biyoaktif seramiklerin (hidroksiapatit (HA), kalsiyum fosfatlar, biyoaktif camlar ve biyoaktif cam bazlı kompozit malzemeler) ve nanokarbonların (karbon nanotüpler (CNT'ler), grafen oksit (GO), nanoelmaslar, fullerenlerin) mekanik mukavemeti polimerlere göre daha yüksek olduğundan, polimerlerden üretilen nanolif iskelelerin mekanik özelliklerini geliştirmek için katkı malzemeleri olarak kullanılmaktadırlar. Geliştirilmiş mekanik özelliklere ek olarak, daha iyi bir hücre ekimi ve büyüme ortamı sağlayarak polimer matrisine iyi osteokondüktivite özellikleri katmaktadırlar. Ayrıca, elektrospinlenmiş malzemeler morfolojileri nedeniyle geniş bir yüzey alanına sahip olduklarından, patojenik mikroorganizmaların yapışmasına ve üzerinde biyofilm oluşumuna yatkındırlar. Bu nedenle, metal oksit nanotanecikler (gümüş oksit (Ag2O), çinko oksit (ZnO), titanyum dioksit (TiO2), bakır oksit (CuO), demir (III) oksit (Fe2O3)), metalik nanotanecikler (gümüş, altın, bakır) ve doğal polimerler (kitosan) gibi bazı antimikrobiyal bileşenler nanolif malzemelerin antimikrobiyal performansını arttırmak için eklenmektedir. Doku mühendisliği alanındaki elektrospinning uygulamalarında, doku mimarisine uygun yapılar elde edebilmek için elektrospinning çözelti, işlem ve ortam değişkenleri değiştirilerek kontrol edilebilir lif çaplı malzemeler üretebilmektedir. Elektrospinning değişkenleri çok çeşitli ve karmaşık olduğundan, elektrospinning işleminden önce proses çıktılarını tahmin etmek zordur. Bu nedenle, birçok araştırmacı bu değişkenleri belirlemede matematiksel ve istatistiksel yöntemler kullanılmıştır. Bu yöntemlerle, spesifik özelliklere sahip nanolif yapılar elde edilebilmektedir. Bu bağlamda, bu doktora çalışmasında, iki farklı metalik nanotanecik (gümüş ve bakır nanotanecikler), kapaklama ve indirgeme ajanları olarak biyopolimerler (çözünebilir nişasta ve sodyum aljinat) ile sentezlenmiştir. Elde edilen nanotanecikler ve elektrospinning yöntemi kullanılarak doku mühendisliğinde kullanılabilecek yapı iskeleleri üretilmiş ve bu iskelelerin ayrıntılı karakterizasyonları yapılmıştır. Bu tezde yer verilen ilk makalede, çözünebilir nişasta ile kaplanmış gümüş (Ag) nanotaneciklerinin üretimine ait çalışmalara yer verilmiştir. Elde edilen Ag nanotanecikler polivinil alkol nanoliflere ilave edilmiş ve elde edilen nanoliflerin E. coli ve S. aureus bakterilerine karşı etkili olduğu tespit edilmiştir. Bu nanolif membranın yara sargı malzemesi olarak kullanılabilme potansiyeli Ag+ iyon salım testleri ile belirlenmiştir. İkinci makalede, elde edilen Ag nanotaneciklerinin, kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılabilirliği belirlenmiştir. Biyopolimer olarak jelatin ve inorganik bileşen olarak 45S5 biyoaktif cam kullanılarak antibakteriyel özelliklere sahip nanolif membranlar elde edilmiştir. Elektrospinning işlem değişkenleri (voltaj, akış hızı ve uç toplayıcı mesafesi) kullanılarak kemik doku mühendisliği için uygun bir membran üretmek amaçlanmıştır. Nanolif boyutunu tahmin etmek için istatistiksel deneysel bir yöntem olan Box-Behken tasarımı kullanılmış ve elektrospinning değişkenleri ile bir model oluşturulmuştur. Elde edilen nanolif yapısına ait karakterizasyon çalışmaları sonucunda, yapının trabeküler kemik uygulamaları için bir potansiyele sahip olduğu belirlenmiştir. Üçüncü makalede; bakır nanotanecikler, kapaklama maddeleri olarak çözünebilir nişasta ve sodyum aljinat kullanılarak üretilmiştir. Doku mühendisliği uygulamaları için, çözünebilir nişastanın sodyum aljinata göre daha uygun bir kapaklama maddesi olduğu sonucuna varılmıştır. Dördüncü makalede, PCL nanolif membranlara, çözünebilir nişastanın kapaklama maddesi olarak kullanıldığı bakır nanotanecik ve 45S5 biyoaktif cam katkısı yapılmıştır. Hem bu katkıların hem de polimer derişiminin etkisini belirleyebilmek için Box-Behnken tasarımı kullanılarak bir model elde edilmiştir. Kemik dokusu hücre dışı matrisi ile benzer lif boyutlarına sahip nanolif membranın üretimi için gerekli değişkenler belirlenmiştir. Yapılan sitotoksisite testleri ile yapıya katılması gereken Cu nanotanecik oranı tespit edilmiştir. Yapay vücut sıvısında bekletilmiş membranın biyoaktif özellikte olduğu ve Cu iyon salım sonuçlarının literatürle uyumlu olması nedenleriyle, elde edilen membranın kemik doku mühendisliği uygulamaları için bir potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir.