Grafen içeren biyoaktif cam skafoldların hazırlanması ve in vitro karakterizasyonu

Abstract

Kemik doku mühendisliği, hasar gören kemik dokusunun onarımı ve rejenerasyonu alanında etkin çalışmaların yapıldığı bir alandır. Biyoaktif camlar, kemikle aralarında güçlü bağ kurabilmeleri sayesinde kemik doku rejenerasyonunda kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada kemik doku mühendisliği uygulamaları için polimer köpük replikasyonu tekniği kullanılarak, grafen içeren, elektriksel olarak iletken, bor bazlı 13-93B3 biyoaktif cam kompozit skafoldlar hazırlanmıştır. Grafenin yapıya ilavesi için iki farklı yöntem izlenmiştir. İlk yöntemde (Metot I) grafen nanotozları ( ağırlıkça %1, 3, 5, 10) biyoaktif cam süspansiyonu içerisine eklenmiş ve polimer köpük replikasyonuyla grafen-biyoaktif cam kompozit skafoldlar elde edilmiştir. Sonuçlar grafen ilavesinin mekanik özellikleri olumsuz etkilemediğini ve biyoaktif cam skafoldların elektriksel iletkenliğini arttırdığını göstermiştir. X-ışını kırınım analizi sonuçları yapay vücut sıvısı içerinde 30 gün bekletilen skafoldların yüzeyinde kristal yapıda hidroksiapatit nanotozları çökelmesinin gerçekleştiğini göstermektedir. Bununla birlikte, Fourier transform infrared spektroskopi analizleri ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri, hidroksiapatit oluşum hızının, özellikle yapay vücut sıvısında kısa sürelerle bekletilen örneklerde, grafen konsantrasyonunun artmasıyla azaldığını ortaya koymuştur. Diğer yandan, in vitro sitotoksisite tayini bulguları, pre-osteoblast MC3T3-E1 hücre canlılığının, katkısız biyoaktif cam skafold ile karşılaştırıldığında yüksek miktarda grafen içeren cam skafoldlarda düşük olduğunu göstermektedir. En iyi performans, orta düzeyde hücresel tepki ve in vitro hidroksiapatit oluşturma kabiliyeti ile elektrik iletkenliğinde bir artış sağlayan ağırlıkça %5 grafen içeren skafoldlarda elde edilmiştir. İkinci üretim yönteminde (Metot II) 13-93B3 biyoaktif cam skafoldlar yine polimer köpük replikasyonu ile hazırlanmış ve sinterlenmiştir. Ardından yapı, ağırlıkça %1, 3, 5, 10 grafen nanotozları içeren polikaprolakton (PCL) solüsyonu ile kaplanmıştır. Sonuçlar, PCL içindeki grafen nanotozlarının konsantrasyonu arttıkça, numunelerin elektrik iletkenliği ve basma dayanımının arttığını göstermiştir. SEM analizleri, yapay vücut sıvısında bekletilmiş katkısız ve grafen içeren PCL kaplı biyoaktif cam skafoldlar arasında grafen konsantrasyonuna bağlı olarak hidroksiapatit oluşumunda belirgin bir fark olmadığını göstermektedir. In vitro sitotoksisite deneyleri, grafen içeren PCL kaplı örneklerin pre-osteoblastik MC3T3-E1 hücre canlılığının, 7 gün inkübasyondan sonra kontrol grubu örneklerine göre daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, ağırlıkça %3'ten başlamak üzere grafen içeren PCL kaplanmış numuneler için 14 günlük kültür süresi sonrasında hücre canlılığında bir azalma olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, çalışmada, grafen içeren PCL kaplı biyoaktif cam skafoldlarda katkısız PCL kaplı 13-93B3 skafoldlara göre daha yüksek bir ALP aktivitesi tespit edilmiştir. Bu durum grafen nanoparçacıklarının varlığının, osteoblastik farklılaşmanın erken safhasını uyardığını ortaya çıkarmıştır. Çalışmanın sonuçları, her iki yöntemle üretilen elektriksel olarak iletken, grafen içeren, 13-93B3 biyoaktif cam skafoldların kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılabileceğini göstermektedir.

Bone tissue engineering is a field containing studies on the repair and regeneration of the damaged bone tissue. Bioactive glasses have crucial effect in bone regeneration due to their ability to make strong bonding with the bone tissue. In this study, graphene-containing, electrically conductive, borate-based 13-93B3 bioactive glass composite scaffolds were prepared for bone tissue applications. Graphene was incorporated to the bioactive glass structure using two different approaches. In the first method (Method I), graphene nanopowders (1, 3, 5, 10 wt. %) were added to the bioactive glass suspension and bioactive glass composite scaffolds were manufactured using polymer foam replication method. It was observed that the addition of graphene did not adversely affect the mechanical properties and increased the electrical conductivity of the glass scaffolds. In the X-ray diffraction analysis, the peak corresponding to the hydroxyapatite crystal was observed in all samples, indicating that all the samples were bioactive after 30 days of immersion into the simulated body fluid. However, Fourier transform infrared spectroscopy analysis and scanning electron microscope observations have shown that the rate of hydroxyapatite formation decreases with increasing graphene concentration, especially in samples incubated in short periods in simulated body fluid. Based on cytotoxicity assay findings, pre-osteoblastic MC3T3-E1 cell growth was significantly inhibited by scaffolds containing a higher amount of graphene compared to the bare bioactive glass scaffold. The best performance was obtained for samples containing 5% graphene, which provides an increase in electrical conductivity with moderate cellular response and the ability to form hydroxyapatite in vitro. In the second approach (Method II), bare 13-93B3 bioactive glass scaffolds were prepared by polymer foam replication method using the same conditions with Method I. After sintering they were coated with the graphene-containing (1, 3, 5, 10 wt. %) polycaprolactone (PCL) solution. Results revealed that electrical conductivity and compression strength of the samples increased with increasing concentration of graphene nanopowders. Based on SEM analysis a noticeable difference was not observed in HA forming ability of the bare and the graphene- coated scaffolds immersed in simulated body fluid. In vitro cytotoxicity experiments showed that pre-osteoblastic MC3T3-E1 cell viability of the graphene- containing samples was higher than control group samples after 7 days of incubation. However, a decrease in cell viability was obtained after 14 days for samples coated with graphene starting from 3 wt. %. Additionally, a higher ALP activity was detected in cells cultured on the graphene-containing borate glass scaffolds than those on the bare PCL coated 13-93B3 scaffolds suggested the presence of graphene nanopowders stimulated an early stage of osteoblastic differentiation. The results of the study showed that electrically conductive 13-93B3 bioactive glass composite scaffolds produced by both approaches have potential to be used in bone tissue engineering applications.