مجله دانشکده دندان‌پزشکی اصفهان

ساخت داربست نانوکامپوزیتی پلی‌کاپرولاکتون- فلوئورآپاتیت توسط پرینت سه‌بعدی و شبیه‌سازی خواص مکانیکی آن

نوع مقاله : مقاله‌های پژوهشی

چکیده

مقدمه: مزایای استفاده از داربست‌های متخلخل نانوبیوکامپوزیت برای کاربرد شکستگی‌های فک و صورت و بهینه‌سازی سطوح داخلی گرافت‌های مصنوعی با استفاده از فناوری نانو می‌تواند چسبندگی سلول‌های استخوانی، خواص مکانیکی و سرعت جذب را بهبود بخشد. مطالعات مختلفی بر روی داربست متخلخل به ویژه برای قسمت‌های شکسته و تخریب شده‌ی استخوان‌های صورت انجام شده است. هدف از این مطالعه، بررسی رفتار زیستی، تجربی و عددی خواص مکانیکی داربست متخلخل است که شرایط بارگذاری استاتیکی را بر عهده دارد.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه‌ی عددی- آزمایشگاهی (دانشکده‌ی مکانیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر، زمستان 1400)، یک داربست استخوانی با استفاده از دستگاه چاپگر سه‌بعدی (Three- Dimensional Printing) با فرایند مدل‌سازی لایه‌نشانی مذاب FDM (Fused Deposition Modelling)، برای استفاده در قسمتی از استخوان فک از مواد نانوکامپوزیتی پلی‌کاپرولاکتون- فلوئورآپاتیت PCL/nFA (Polycaprolactone- Fluorapatite) که حاوی (0، 10، 20 و 30 درصد وزنی) نانوذرات سرامیک بوده طراحی و ساخته شده است. داربست‌ها با تخلخل 70 درصد در نرم‌افزار سالیدورک طراحی گردید و به نرم‌افزار آباکوس برای فرایند شبیه‌سازی انتقال داده شد. سطح معنی‌داری متغیرهای کمی (0/05 > p value) نیز توسط نرم‌افزار تعیین شد.
یافته‌ها: آزمون زیست‌فعالی داربست‌های خالص و کامپوزیتی پس از غوطه‌وری در محلول شبیه‌سازی شده‌ی بدن به مدت 28 روز نشان دادند که در نمونه‌ی کامپوزیتی PCL/20nFA بیشترین آپاتیت بر روی سطح تشکیل شده است. زنده‌مانی سلول‌ها بر روی داربست توسط رنگ‌آمیزی DAPI (4′,6-diamidino-2-phenylindole) و میکروسکوپ فلورسنت تأیید شد.
نتیجه‌گیری: نتایج شبیه‌سازی آزمون فشار و میزان تنش فون‌میسز نشان داد که می‌توان از مدل داربست متخلخل برای جایگزینی در استخوان فک و صورت استفاده کرد که از استحکام و پایداری مکانیکی مناسبی برخوردار است.
کلید واژه‌ها: داربست؛ چاپ سه بعدی؛ آنالیز المان محدود

عنوان مقاله [English]

Three-Dimensional Printing of a Polycaprolactone-Fluorapatite Nanocomposite Scaffold and Simulation of Its Mechanical Properties

چکیده [English]

Introduction: The use of porous nanobiocomposite scaffolds for maxillofacial fractures and internal surface optimization of artificial grafts utilizing nanotechnology can improve cell adhesion, mechanical properties, and adsorption rate. Porous scaffolds have been the subject of numerous investigations, especially for broken and damaged parts of the facial bone. The goal of this study was to look into the biological, experimental, and numerical study of the mechanical properties of porous scaffolds under static loading conditions.
Materials and Methods: In this study, a bone scaffold of polycaprolactone- Fluorapatite (PCL / nFA) nanocomposite materials containing (0, 10, 20, 30 %wt.) Fluorapatite nanoparticles was designed and manufactured using a 3D printer with Fused Deposition Modelling (FDM) process. The scaffolds were designed in SolidWorks software with 70% porosity and then transferred to Abaqus software for simulation.
Result: In addition, following 28 days of immersion in the simulated body fluid, the bioactivity test of pure and composite scaffolds showed that the PCL /20nFA composite sample produced the most apatite on the surface. DAPI staining and fluorescent microscopy observation, confirm cell viability on the 3D printed scaffold.
Conclusion: The Von Mises stress and compressive test simulations revealed that the porous scaffold model may be used for maxillofacial bone replacement and has good mechanical strength and stability.
Keywords: Scaffold; 3D printing; Finite element analysis.

1. Pobloth AM, Checa S, Razi H, Petersen A, Weaver JC, Schmidt-Bleek K, et al. Mechanobiologically optimized 3D titanium-mesh scaffolds enhance bone regeneration in critical segmental defects in sheep. Sci Transl Med 2018; 10(423): eaam8828.
2. Kazemi A, Abdellahi M, Khajeh-Sharafabadi A, Khandan A, Ozada N. Study of in vitro bioactivity and mechanical properties of diopside nano-bioceramic synthesized by a facile method using eggshell as raw material. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2017; 71: 604-10.
3. Abel EW, Hilgers A, McLoughlin PM. Finite element analysis of a condylar support prosthesis to replace the temporomandibular joint. Br J Oral Maxillofac Surg 2015; 53(4): 352-7.
4. Bujtar P, Sandor GKB, Bojtos A, Szűcs A, Barabas J. Finite element analysis of the human mandible at 3 different stages of life. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2010; 110(3): 301-9.
5. Farazin A, Akbari Aghdam H, Motififard M, Aghadavoudi F, Kordjamshidi A, Saber-Samandari S, et al. A polycaprolactone bio-nanocomposite bone substitute fabricated for femoral fracture approaches: Molecular dynamic and micromechanical Investigation. J Nanoanalysis 2019; 6(3): 172-84.
6. Cheung HY, Lau KT, Lu TP, Hui D. A critical review on polymer-based bio-engineered materials for scaffold development. Compos B Eng 2007; 38(3): 291-300.
7. Park SA, Lee SH, Kim WD. Fabrication of porous polycaprolactone/hydroxyapatite (PCL/HA) blend scaffolds using a 3D plotting system for bone tissue engineering. Bioprocess Biosyst Eng 2011; 34(4): 505-13.
8. Liu X, Rahaman MN, Hilmas GE, Bal BS. Mechanical properties of bioactive glass (13-93) scaffolds fabricated by robotic deposition for structural bone repair. Acta Biomater 2013; 9(6): 7025-34.
9. Offeddu GS, Ashworth JC, Cameron RE, Oyen ML. Multi-scale mechanical response of freeze-dried collagen scaffolds for tissue engineering applications. J Mech Behav Biomed Mater 2015; 42: 19-25.
10. Yang JP. Image-based procedure for biostructure modeling. J Nanomech Micromech 2014; 4(3): B4013001.
11. Kokubo T, Takadama H. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials 2006; 27(15): 2907-15.
12. Chouzouri G, Xanthos M. In vitro bioactivity and degradation of polycaprolactone composites containing silicate fillers. Acta Biomater 2007; 3(5): 745-56.
13. Li X, Saeed SS, Beni MH, Morovvati MR, Angili SN, Toghraie D, et al. Experimental measurement and simulation of mechanical strength and biological behavior of porous bony scaffold coated with alginate-hydroxyapatite for femoral applications. Compos Sci Technol 2021; 214: 108973.
14. Kim CG, Han KS, Lee S, Kim MC, Kim SY, Nah J. Fabrication of biocompatible polycaprolactone-hydroxyapatite composite filaments for the FDM 3D printing of bone scaffolds. Appl Sci 2021; 11(14): 6351.
15. Momeni M, Amini K, Heidari A, Khodaei M. Evaluation the properties of polycaprolactone/fluorapatite nano-biocomposite. J Bionic Eng 2022; 19(1): 179-87.
16. Zhao YQ, Yang JH, Ding X, Ding X, Duan S, Xu FJ. Polycaprolactone/polysaccharide functional composites for low-temperature fused deposition modelling. Bioact Mater 2020; 5(2): 185-91.
17. Wieja F, Jacobs G, Stein S, Kopp A, van Gaalen K, Kröger N, et al. Development and validation of a parametric human mandible model to determine internal stresses for the future design optimization of maxillofacial implants. J Mech Behav Biomed Mater 2022; 125: 104893.
18. Lu L, Zhang Q, Wootton DM, Chiou R, Li D, Lu B, et al. Mechanical study of polycaprolactone-hydroxyapatite porous scaffolds created by porogen-based solid freeform fabrication method. J Appl Biomater Funct Mater 2014; 12(3): 145-54.
19. Monshi M, Esmaeili S, Kolooshani A, Kamyab Moghadas B, Saber-Samandari S, Khandan A. A novel three-dimensional printing of electroconductive scaffolds for bone cancer therapy application. Nanomed J 2020; 7(2): 138-48.
20. Joneidi Yekta H, Shahali M, Khorshidi S, Rezaei S, Montazeran AH, Samandari SS, et al. Mathematically and experimentally defined porous bone scaffold produced for bone substitute application. Nanomed J 2018; 5(4): 227-34.
21. Sahmani S, Saber-Samandari S, Shahali M, Yekta HJ, Aghadavoudi F, Montazeran AH, et al. Mechanical and biological performance of axially loaded novel bio-nanocomposite sandwich plate-type implant coated by biological polymer thin film. J Mech Behav Biomed Mater 2018; 88: 238-50.
22. Ayatollahi MR, Barbaz Isfahani R, Moghimi R. Effects of multi-walled carbon nanotube and nanosilica on tensile properties of woven carbon fabric-reinforced epoxy composites fabricated using VARIM. J Compos Mater 2017; 51(30): 4177-88.
23. Khodaei M, Amini K, Valanezhad A. Fabrication and characterization of poly lactic acid scaffolds by fused deposition modeling for bone tissue engineering. J Wuhan Univ Technol Mater Sci Ed 2020; 35(1): 248-51.
24. Aghadavoudi F, Golestanian H, Tadi Beni Y. Investigating the effects of CNT aspect ratio and agglomeration on elastic constants of crosslinked polymer nanocomposite using multiscale modeling. Polym Compos 2018; 39(12): 4513-23.
25. Rouhani A, Elmi A, Aghdam HA, Panahi F, Dokht Ghafari Y. The role of fibular fixation in the treatment of tibia diaphysis distal third fractures. Orthop Traumatol Surg Res 2012; 98(8): 868-72.
26. Safari MB, Tabrizi A, Hassani E, Akbari Aghdam H, Shariyate MJ. Painful scoliosis secondary to posterior rib osteoid osteoma: a case report and review of literature. J Orthop Spine Trauma 2017; 3(1): e62337.
27. Ji Y, Liang K, Shen X, Bowlin GL. Electrospinning and characterization of chitin nanofibril/polycaprolactone nanocomposite fiber mats. Carbohydr Polym 2014; 101: 68-74.
28. Saberi A, Bakhsheshi-Rad HR, Karamian E, Kasiri-Asgarani M, Ghomi H. A study on the corrosion behavior and biological properties of polycaprolactone/bredigite composite coating on biodegradable Mg-Zn-Ca-GNP nanocomposite. Prog Org Coat 2020 Oct 1; 147: 105822.
29. Feng B, Ji T, Wang X, Fu W, Ye L, Zhang H, et al. Engineering cartilage tissue based on cartilage-derived extracellular matrix cECM/PCL hybrid nanofibrous scaffold. Mater Des 2020; 193: 108773.
مجله دانشکده دندان‌پزشکی اصفهان
دوره 18، شماره 4 - شماره پیاپی 4
دی 1400
صفحه 365-377