Evaluation of the mechanical properties and degradation behavior of chitosan-PVA-graphene oxide nanocomposite scaffolds in vitro

Abstract

الملخص: أهداف البحث: يعتبر الكيتوسان مادة شائعة لتصنيع السقالات بسبب توافقها الحيوي، وقابليتها للتحلل البيولوجي، والتأثيرات المضادة للجراثيم وعدم المناعية. ومع ذلك، فهو ذو وظيفة محدودة بسبب ضعف قوتها الميكانيكية وذوبانها في الوسائط المحمضة. يمكن التغلب على هذه القيود من خلال خلطها مع البولي فينيل الكحول وإدماجها مع المواد النشطة حيويا لتحسين خصائصها الميكانيكية وقدرتها على تجديد الأنسجة. طرق البحث: تم إدماج المواد النانوية المستندة إلى الكربون، مثل أكسيد الجرافين، مع خليط الكيتوسان والبولي فينيل الكحول لتحسين ثبات سقالة البناء المركب. تم إعداد جزيئات أكسيد الجرافين النانوية كيميائيا وتوصيفها بالكامل. تم استخدام تركيزات مختلفة من كل من الكيتوسان والجرافين النانوي لتصنيع أفلام مركبة نانوية من الكيتوسان والبولي فينيل الكحول وأكسيد الجرافين من خلال طريقة الصب المذيب. تم تقييم الخصائص الميكانيكية والاستقرار الحراري والتحلل البيولوجي والانتفاخ للأفلام المركبة النانوية بعد التوصيف باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية والمطياف تحت الحمراء والمجهر الإلكتروني الماسح، لاكتشاف تأثير إدماج أكسيد الجرافين في السقالة لاختيار التطبيق السني المناسب. النتائج: لوحظ أداء أفضل في الاستقرار الحراري والتحلل البيولوجي ومقاومة الماء بعد إضافة أكسيد الجرافين إلى سقالات الكيتوسان والبولي فينيل الكحول. فيما يتعلق بالخصائص الميكانيكية، تمت تقييم المجموعات باستخدام اختبار كروسكال واليس ثم اختبار دون البعدي. لم يكن هناك فرق كبير في قوة الشد بين أفلام المركبات النانوية من الكيتوسان بتركيز 2% والكيتوسان بتركيز 3%. انخفضت قوة الشد بعد إضافة أكسيد الجرافين النانوي بتركيزات مختلفة. ازداد معامل المرونة بشكل كبير عند إضافة 1% من أكسيد الجرافين إلى خليط الكيتوسان بتركيز 2% والبولي فينيل الكحول. الاستنتاجات: يمكن استخدام المركب النانوي من الكيتوسان والبولي فينيل الكحول وأكسيد الجرافين في هندسة أنسجة الأسنان الصلبة، حيث أن إدماج أكسيد الجرافين في مزيج بوليمر الكيتوسان والبولي فينيل الكحول يحسن خصائصه مع مراعاة التركيزات الحرجة من الكيتوسان وأكسيد الجرافين. Abstract: Objectives: Chitosan (CTS) has been a popular option for scaffold fabrication because of its biocompatibility, biodegradability, antimicrobial and nonimmunogenic effects. However, it is of limited function, due to its low mechanical strength and its solubility in acidified media. These limitations could be overcome by its blending with PVA and incorporation with bioactive materials to improve its mechanical properties and tissue regeneration capability. Methods: Carbon based nanomaterials, such as graphene oxide (GO) incorporated with CTS/PVA blend to improve composite-scaffold stability. GO nanoparticles were chemically prepared and fully characterized. Different concentrations of both CTS and nano-GO were used for the fabrication of CTS/PVA/GO nanocomposite films through the solvent-casting method. The mechanical properties, thermal stability biodegradation, and swelling of the nanocomposite films were evaluated after characterization by XRD, FTIR and SEM, to detect the effect of GO incorporation in the scaffold to select the suitable dental application. Results: A better performance was observed in thermal stability, biodegradation, and water resistance after GO addition into CTS/PVA scaffolds. Regarding mechanical properties, groups were assessed by Kruskal Wallis test afterward Dunn’s post hoc test. There was no significant difference in tensile strength between the nanocomposite films of CTS (2%) and CTS (3%). The tensile strength decreased after addition of nano-GO at different concentrations. The elastic modulus significantly increased when (1%) GO was added into the 1CTS (2%):1PVA. Conclusions: CTS/PVA/GO nanocomposite can be used in dental hard tissue engineering, as the incorporation of GO into the CTS/PVA polymer blend improves its properties which is regarded as the critical concentrations of CTS and GO.

Keywords

• Biodegradation
• Chitosan
• Graphene oxide nanoparticles
• Mechanical properties
• Polyvinyl alcohol