دنیای نانو

دنیای نانو

بهینه سازی هیدروژل های سدیم آلژینات حاوی نانو سرامیک در کاربردهای مهندسی بافت استخوان: مطالعه شبیه سازی دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی بافت، دانشکده علوم نوین پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تبریز، تبریز، ایران
2 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه 419-57166، ایران
3 گروه زیست فناوری پزشکی، دانشکده علوم نوین پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تبریز، تبریز، ایران
4 گروه مهندسی بافت، دانشکده فناوری‌های نوین پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایران
چکیده
ساخت داربست‌ها برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان اغلب شامل استفاده از دو دسته متمایز از بیومواد حاوی کلسیم، یعنی فسفات‌های کلسیم و سیلیکات‌های کلسیم است. انتخاب این مواد بر اساس زیست سازگاری و زیست فعالی آن هاست. علی رغم اینکه این بیوسرامیک ها از نقطه نظر ترکیبات معدنی شباهت زیادی به استخوان طبیعی دارند، بر خلاف استخوان ترد و شکننده هستند. پژوهش حاضر استفاده از هیدروکسی آپاتیت و تری کلسیم سیلیکات را که از رایج ترین فسفات های کلسیم و سیلیکات های کلسیم هستند، در زمینه کاربردهای داربست استخوانی مورد بررسی قرار می دهد. مطالعه حاضر تأثیر غلظت‌های مختلف نانوذرات سرامیکی را هنگام ترکیب با هیدروژل سدیم آلژینات بر ساخت داربست‌های استخوانی توسط شبیه‌سازی دینامیک مولکولی نشان می دهد. پایداری و خودآرایی از طریق پارامترهای متعددی مانند سطح قابل دسترسی حلال، شعاع ژیراسیون، تابع توزیع شعاعی، ریشه میانگین مربع انحرافات، پیوند هیدروژنی، انرژی واندروالسی، انرژی الکترواستاتیک و انرژی کل ارزیابی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که افزودن 10% وزنی هیدروکسی آپاتیت و تری کلسیم سیلیکات به ماتریس هیدروژل سدیم آلژینات منجر به تشکیل ساختار فشرده تر، پایدارتر و کمتر هیدراته شده و به طور بالقوه می تواند به خواص مکانیکی داربست و تعامل آن با سلول ها کمک کند. ویژگی های فوق برای طراحی موفقیت آمیز داربست در زمینه مهندسی بافت استخوان بسیار مهم و حیاتی است. یافته‌های این تحقیق نشان می‌دهد که نمونه‌های تری کلسیم سیلیکات در مقایسه با نمونه‌های هیدروکسی آپاتیت، به ویژه از نظر ترکیب با هیدروژل سدیم آلژینات، خواص برتری را برای ساخت داربست ها دارند. با این حال، انجام آزمایش های تجربی برای تایید نتایج شبیه‌سازی ها ضروری است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Optimization of sodium alginate hydrogels containing nanoceramics in bone tissue engineering applications: a molecular dynamics simulation study

نویسندگان English

Nima Beheshtizadeh 1
Sima Rezvantalab 2
Rana Jahanban Esfahlan 3
Nasrin Lotfibakhshaiesh 4
1 Department of Tissue Engineering, Faculty of Advanced Medical Sciences, Tabriz University of Medical Sciences, Tabriz, Iran.
2 Renewable Energies Department, Faculty of Chemical Engineering, Urmia University of Technology, Urmia 57166‑419, Iran
3 Department of Medical Biotechnology, Faculty of Advanced Medical Sciences, Tabriz University of Medical Sciences, Tabriz, Iran
4 Department of Tissue Engineering, School of advanced Technologies in Medicine, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran
چکیده English

Fabrication of scaffolds for bone tissue engineering applications often involves the use of two distinct classes of calcium-containing biomaterials, namely calcium phosphates and calcium silicates. The selection of these materials is based on their biocompatibility and bioactivity. Although these bioceramics are very similar to natural bone from the point of view of mineral compounds, unlike bone, they are brittle. The current research examines the use of hydroxyapatite and tricalcium silicate, which are the most common calcium phosphates and calcium silicates, in the field of bone scaffold applications, respectively. The present study shows the effect of different concentrations of ceramic nanoparticles when combined with sodium alginate hydrogel on the construction of bone scaffolds by molecular dynamics simulation. Stability and self-assembly have been evaluated through several parameters such as solvent-accessible-surface-area, radius of gyration, radial distribution function, root mean square deviations, hydrogen bonding, van der Waals energy, electrostatic energy, and total energy. The simulation results show that the addition of 10% by weight of hydroxyapatite and tricalcium silicate to the sodium alginate hydrogel matrix leads to the formation of a more compact, stable, and less hydrated structure and can potentially affect the mechanical properties of the scaffold and its interaction with Cells help. The findings of this research show that tricalcium silicate samples have superior properties for making scaffolds compared to hydroxyapatite samples, especially in terms of combination with sodium alginate hydrogel. However, it is necessary to conduct experimental tests to confirm the results of the simulations.

کلیدواژه‌ها English

Tissue Engineering
Bone scaffolds
calcium silicate
calcium phosphate
hydroxyapatite
tricalcium silicate
Molecular dynamics simulation
[1] Global, regional, and national burden of bone fractures in 204 countries and territories, 1990-2019: a systematic analysis from the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet Healthy Longev. 2021;2(9). Doi: 10.1016/S2666-7568(21)00172-0
[2] Lin X, Tsao CT, Kyarthritis. Adv Healthc Mater Injectable Natural Polymer Hydrogels for Treatment of Knee Osteoarthritis. Adv Healthc Mater. 2022;11(9):2101479. Doi: 10.1002/adhm.202101479
[3] Beheshtizadeh N, Asgari Y, Nasiri N, Farzin A, Ghorbani M, Lotfibakhshaiesh N, et al. A network analysis of angiogenesis/osteogenesis-related growth factors in bone tissue engineering based on in-vitro and in-vivo data: A systems biology approach. Tissue Cell. 2021;72:101553. Doi: 10.1016/j.tice.2021.101553
[4] Yu X, Tang X, Gohil SV, Laurencin CT. Biomaterials for Bone Regenerative Engineering. Adv Healthc Mater. 2015;4(9):1268-85. Doi: 10.1002/adhm.201400760
[5] Asadollahi M, Gerashi E, Zohrevand M, Zarei M, Sayedain SS, Alizadeh R, et al. Improving mechanical properties and biocompatibility of 3D printed PLA by the addition of PEG and titanium particles, using a novel incorporation method. Bioprinting. 2022;27. Doi: 10.1016/j.bprint.2022.e00228
[6] Lee S, Byun S, Lee C, Park SH, Rudra D, Iwakura Y, et al. Resolving the Mutually Exclusive Immune Responses of Chitosan with Nanomechanics and Immunological Assays. Adv Healthc Mater. 2022;11(13):2102667. Doi: 10.1002/adhm.202102667
[7] Pazhouhnia Z, Beheshtizadeh N, Namini MS, Lotfibakhshaiesh N. Portable hand-held bioprinters promote in situ tissue regeneration. Bioeng Transl Med. 2022;7(3). Doi: 10.1002/btm2.10307
[8] Sun W, Lal P. Recent development on computer aided tissue engineering — a review. Comput Methods Programs Biomed. 2002;67(2):85-103. Doi: 10.1016/S0169-2607(01)00116-X
[9] Peidavosi N, Azami M, Beheshtizadeh N, Ramazani Saadatabadi A. Piezoelectric conductive electrospun nanocomposite PCL/Polyaniline/Barium Titanate scaffold for tissue engineering applications. Sci Rep. 2022;12(1):20828. Doi: 10.1038/s41598-022-25332-w
[10] Beheshtizadeh N, Zarei M, Azami M. Could we use metallic wood for bone tissue engineering applications? Results Eng. 2023;17:100845. Doi: 10.1016/j.rineng.2022.100845
[11] Khedri M, Beheshtizadeh N, Maleki R, Webster TJ, Rezvantalab S. Improving the self-assembly of bioresponsive nanocarriers by engineering doped nanocarbons: a computational atomistic insight. Sci Rep. 2021;11(1):21538. Doi: 10.1038/s41598-021-00817-2
[12] Beheshtizadeh N, Farzin A, Rezvantalab S, Pazhouhnia Z, Lotifakhshaiesh N, Ai J, et al. 3D printing of complicated GelMA-coated Alginate/Tri-calcium silicate scaffold for accelerated bone regeneration. Int J Biol Macromol. 2023;229:636-53. Doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.12.267
[13] Aghdam HA, Sanatizadeh E, Motifard M, Aghadavoudi F, Saber-Samandari S, Esmaeili S, et al. Effect of calcium silicate nanoparticle on surface feature of calcium phosphates hybrid bio-nanocomposite using for bone substitute application. Powder Technol. 2020;361:917-29. Doi: 10.1016/j.powtec.2019.10.111
[14] Beheshtizadeh N, Azami M, Abbasi H, Farzin A. Applying extrusion-based 3D printing technique accelerates fabricating complex biphasic calcium phosphate-based scaffolds for bone tissue regeneration. J Adv Res. 2021. Doi: 10.1016/j.jare.2021.12.012
[15] Monfared MH, Nemati A, Loghman F, Ghasemian A, Farzin A, Beheshtizadeh N, et al. A deep insight into the preparation of ceramic bone scaffolds utilizing robocasting technique. Ceram Int. 2022;48(5):5939-54. Doi: 10.1016/j.ceramint.2021.11.268
[16] Dejob L, Toury B, Tadier S, Grémillard L, Gaillard C, Salles V. Electrospinning of in situ synthesized silica-based and calcium phosphate bioceramics for applications in bone tissue engineering: A review. Acta Biomater. 2021;123:123-53. Doi: 10.1016/j.actbio.2020.12.032
[17] Pupilli F, Ruffini A, Dapporto M, Tavoni M, Tampieri A, Sprio S. Design Strategies and Biomimetic Approaches for Calcium Phosphate Scaffolds in Bone Tissue Regeneration. Biomimetics. 2022;7(3):112. Doi: 10.3390/biomimetics7030112
[18] Prati C, Gandolfi MG. Calcium silicate bioactive cements: Biological perspectives and clinical applications. Dent Mater. 2015;31(4):351-70. Doi: 10.1016/j.dental.2015.01.004
[19] Duarte MAH, Marciano MA, Vivan RR, Tanomaru Filho M, Tanomaru JMG, Camilleri J. Tricalcium silicate-based cements: properties and modifications. Braz Oral Res. 2018;32. Doi: 10.1590/1807-3107bor-2018.vol32.0070
[20] Zhao W, Chang J, Zhai W. Self-setting properties and in vitro bioactivity of Ca3SiO5/CaSO4·1/2H2O composite cement. J Biomed Mater Res A. 2008;85A(2):336-44. Doi: 10.1002/jbm.a.31523
[21] Pei P, Qi X, Du X, Zhu M, Zhao S, Zhu Y. Three-dimensional printing of tricalcium silicate/mesoporous bioactive glass cement scaffolds for bone regeneration. J Mater Chem B. 2016;4(46):7452-63. Doi: 10.1039/C6TB02055K
[22] Hazehara-Kunitomo Y, Hara ES, Ono M, Aung KT, Komi K, Pham HT, et al. Acidic Pre-Conditioning Enhances the Stem Cell Phenotype of Human Bone Marrow Stem/Progenitor Cells. Int J Mol Sci. 2019;20(5). Doi: 10.3390/ijms20051097
[23] Oh SH, Lee JH. Hydrophilization of synthetic biodegradable polymer scaffolds for improved cell/tissue compatibility. Biomed Mater. 2013;8(1):014101. Doi: 10.1088/1748-6041/8/1/014101
[24] Maximova T, Moffatt R, Ma B, Nussinov R, Shehu A. Principles and Overview of Sampling Methods for Modeling Macromolecular Structure and Dynamics. PLoS Comput Biol. 2016;12(4). Doi: 10.1371/journal.pcbi.1004619
[25] Ferreira LG, Dos Santos RN, Oliva G, Andricopulo AD. Molecular docking and structure-based drug design strategies. Molecules. 2015;20(7):13384-421. Doi: 10.3390/molecules200713384
[26] Hospital A, Goñi JR, Orozco M, Gelpí JL. Molecular dynamics simulations: advances and applications. Adv Appl Bioinform Chem. 2015;8:37-47. Doi: 10.2147/AABC.S70333
[27] Choi YK, Kern NR, Kim S, Kanhaiya K, Afshar Y, Jeon SH, et al. CHARMM-GUI Nanomaterial Modeler for Modeling and Simulation of Nanomaterial Systems. J Chem Theory Comput. 2022;18(1):479-93. Doi: 10.1021/acs.jctc.1c00996
[28] Kim S, Lee J, Jo S, Brooks CL, Lee HS, Im W. CHARMM-GUI ligand reader and modeler for CHARMM force field generation of small molecules. J Comput Chem. 2017;38(21):1879-86. Doi: 10.1002/jcc.24829
[29] Brooks BR, Bruccoleri RE, Olafson BD, States DJ, Swaminathan S, Karplus M. CHARMM: A program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations. J Comput Chem. 1983;4(2):187-217. Doi: 10.1002/jcc.540040211
[30] Kern NR, Lee J, Choi YK, Im W. CHARMM-GUI multicomponent assembler for modeling and simulation of complex multicomponent systems. Biophys J. 2022;121(3):529a. Doi: 10.1016/j.bpj.2021.11.2789
[31] Essmann U, Perera L, Berkowitz ML, Darden T, Lee H, Pedersen LG. A smooth particle mesh Ewald method. J Chem Phys. 1995;103(19):8577-93. Doi: 10.1063/1.470117
[32] Hess B, Bekker H, Berendsen HJ, Fraaije JG. LINCS: A linear constraint solver for molecular simulations. J Comput Chem. 1997;18(12):1463-72.
[33] Humphrey W, Dalke A, Schulten K. VMD: visual molecular dynamics. J Mol Graph. 1996;14(1):33-8. Doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(199709)18:12<1463::AID-JCC4>3.0.CO;2-H
[34] Bell EW, Zhang Y. DockRMSD: an open-source tool for atom mapping and RMSD calculation of symmetric molecules through graph isomorphism. J Cheminform. 2019;11(1):1-9. Doi: 10.1186/s13321-019-0362-7
[35] Grabowski SJ. Understanding hydrogen bonds: theoretical and experimental views. Royal Society of Chemistry; 2020. Doi: 10.1039/9781839160400
[36] Mallipeddi PL, Zhang Y, Li H, Markowitz SD, Posner B. Structural Insights into Novel 15-Prostaglandin Dehydrogenase Inhibitors. Molecules. 2021;26(19):5903. Doi: 10.3390/molecules26195903
[37] Jindal A, Arunachalam V, Vasudevan S. Search for H-Bonded Motifs in Liquid Ethylene Glycol Using a Machine Learning Strategy. J Phys Chem B. 2021;125(22):5909-19. Doi: 10.1021/acs.jpcb.1c01308
دوره 20، شماره 75
تابستان 1403
صفحه 47-59

  • تاریخ دریافت 04 اردیبهشت 1403
  • تاریخ بازنگری 30 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش 12 خرداد 1403