Tri-geschichteten Elektrospinnen zu Native Arterielle Architektur mit Polycaprolacton, Elastin und Collagen Mimic: A Preliminary Study

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, zu beobachten, wie Änderungen der Materialeigenschaften verschiedener Schichten die Gesamteigenschaften des Transplantats beeinflussen können. Dies wird erreicht, indem natürliche und synthetische Polymersysteme vorbereitet werden, um optimale Parameter für das Elektrospinnen bereitzustellen. Als zweiter Schritt sollten die Lösungen in bestimmten Verhältnissen kombiniert werden, was die gewünschte Änderung der Materialeigenschaften bewirkt.

Als Nächstes elektrospinnen Sie die Lösungen auf einen zylindrischen Mandrel, um eine mehrschichtige Struktur mit variierenden mechanischen Eigenschaften zu erzeugen. Es werden Ergebnisse erhalten, die Änderungen der mechanischen Eigenschaften basierend auf Compliance, Reißfestigkeit, Nahtretention, einachsiger Zugprüfung und mathematischer Analyse zeigen. Hallo, mein Name ist Michael McClure.

Heute werde ich mit Ihnen über dreischichtige Elektrospinn-Schwämme für Gefäßtransplantate sprechen. Einer der Hauptvorteile unserer Technik gegenüber anderen Verfahren, wie beispielsweise einfachen vaskulären Transplantaten, liegt in unserer Fähigkeit, die Materialeigenschaften innerhalb einzelner Schichten fein abzustimmen, wodurch sich die Gesamteigenschaften des ME-Materials beeinflussen lassen. Extrahieren Sie vor dem Elektrospinnen Kollagen aus sechs Monate altem bovinem Corium mithilfe eines auf Essigsäure basierenden Verfahrens. Dieses extrahierte Kollagen wird anschließend durch eine Reihe von Auflösungen, Fällungen und Dialyse gereinigt. Sammeln Sie mindestens 500 Milligramm lyophilisiertes Kollagen für das Elektrospinn-Verfahren.

Als Nächstes stellen Sie unter Verwendung eines 20-Milliliter-Scintillationskolbens eine Lösung von 100 Milligramm pro Milliliter Polycaprolacton her, indem Sie 150 Milligramm Monomer-Pellets abwiegen und in 50 Milliliter 1,1,1,3,3,3-Hexafluor-2-propanol auflösen. Mit demselben Verfahren bereiten Sie sieben Milliliter einer 200-Milligramm-pro-Milliliter-Lösung von Elastin sowie sieben Milligramm pro Milliliter Kollagen vor. Anschließend verwenden Sie fünf Scintillationskolben und geben jeweils insgesamt fünf Milliliter der PCL-Elastin-Kollagen-Lösungen in die Kolben, und zwar in folgenden volumetrischen Verhältnissen: 98 zu 2 zu 0 (PCL:Elastin:Kollagen) für die arterielle Intima; 45 zu 45 zu 10, 55 zu 35 zu 10 und 65 zu 25 zu 10 (PCL:Elastin:Kollagen) für die arterielle Media sowie 70 zu 0 zu 30 (PCL:Elastin:Kollagen) für die arterielle Adventitia.

Verwenden Sie nun eine dreimilliliterfassende Spritze mit einer stumpfen 18-Gauge-Nadel, um drei Milliliter der Lösung auf eine Spritzenpumpe aufzubringen. Für die individuellen Materialeigenschaften jeder PCL-Elastin-Kollagen-Lösung stellen Sie die Abgaberate auf vier Milliliter pro Stunde für insgesamt drei Milliliter ein.

Diese Lösungen werden mittels Elektrospinnens auf einen rechteckigen Mandrel aufgebracht, um mehrschichtige Gefäßprothesen mit PCL-Elastin-Kollagen-Polymerlösungen herzustellen. Die Elektrospinnrate variiert je nach Übergang und Schicht: Für die Intima-Lösung beträgt sie vier Milliliter pro Stunde bei einem Volumen von 0,5 Millilitern, gefolgt von einem Übergang, bei dem beide Spritzen für Intima und Media kombiniert werden, mit jeweils 0,2 Milliliter und einer Elektrospinnrate von zwei Milliliter pro Stunde. Anschließend wird die Intima-Spritze abgeschaltet und die Media-Schicht mit einer Rate von vier Milliliter pro Stunde für 0,6 Milliliter elektrogesponnen.

Danach erfolgt ein Übergang zwischen den Medien- und Adventis-Spritzen mit 0,2 Milliliter Polymersolution, jeweils mit zwei Millilitern pro Stunde. Schließlich wird die Medien-Spritze abgeschaltet und das Elektrospinnen der Adventis mit 0,4 Milliliter bei vier Millilitern pro Stunde fortgesetzt. Nach dem Elektrospinnen wird auf jede Probe 50 Millimolar EDC angewendet, und die Vernetzung wird 18 Stunden lang vor weiteren Tests zugelassen.

Um elektrogesponnene Materialien hinsichtlich ihrer einaxialen Zugfestigkeitsparameter zu testen, hydratisieren Sie zunächst das elektrogesponnene Blatt 24 Stunden lang in einer Petrischale mit 15 Milliliter 1× PBS. Anschließend stanzen Sie mit einer Hunde-Knochen-Stanze mit einer Messlänge von 7,5 Millimetern und einer Breite von 2,5 Millimetern an der engsten Stelle sechs Proben aus dem elektrogesponnenen Material. Diese Form gewährleistet, dass der Bruch des Materials an der engsten Stelle erfolgt.

Als Nächstes testen Sie die BUN-Proben der Elektroden mithilfe eines MTS Bionics 200-Prüfsystems mit einer 100-N-Kraftmessdose und einer Ausdehnungsgeschwindigkeit von 10 Millimetern pro Minute. Verwenden Sie die Test-Work-Software, um die maximale Zugspannung, das Elastizitätsmodul und die Bruchdehnung für jedes einzelne Materialprodukt zu berechnen. Um die Nahtfestigkeit mehrschichtiger Transplantate zu prüfen, sammeln Sie sechs verschiedene elektrische Schwammröhrenproben mit einem Durchmesser von zwei Millimetern und einer Länge von drei Millimetern, und legen Sie die Proben 24 Stunden lang in eine Petrischale mit 1× PBS bei 37 Grad Celsius in einem Inkubator ein.

Verwenden Sie anschließend eine 50-N-Lastzelle und eine Dehnungsgeschwindigkeit von 150 Millimetern pro Minute. Um die Nahtretention mit dem MTX Bionic 200-System zu testen, platzieren Sie eine chirurgische PD der Stärke fünf Null. Zwei violettes Monofile.

Nähen Sie zwei Millimeter vom Ende der Probe entfernt mit Hilfe eines Messschiebers zur Messung und Verlängerung, bis die Naht durch das Transplantat zieht; erfassen Sie die maximale Belastung in Gramm-Kraft mithilfe von TestWorks Version vier. Um die Bruchfestigkeit von elektrogesponnenen Transplantaten zu testen, sammeln Sie sechs weitere verschiedene elektrogesponnene röhrenförmige Proben mit einem Durchmesser von zwei Millimetern und einer Länge von zwei bis drei Zentimetern und hydratisieren Sie diese 24 Stunden lang in PBS bei 37 Grad Celsius. Nach der Hydratation setzen Sie das Rohr über eine 1,5 Millimeter durchmessende Nippelvorrichtung, die an das Gerät angeschlossen ist, und befestigen es mit einer Seidennaht der Stärke 2-0, indem Sie einen Chirurgenknoten um Transplantat- und Nippelende legen. Danach führen Sie Luft in das Bruchsystem ein und erhöhen den Druck mit einer Rate von fünf Millimeter Quecksilber pro Sekunde, bis die Rohre platzen.

Sammeln Sie Daten zur Burstfestigkeit als Druck in Millimeter Quecksilber, bei dem die Tuben platzen. Bewerten Sie abschließend die dynamische Compliance, indem Sie sechs tubuläre Transplantate mit einem Durchmesser von zwei Millimetern aus sechs verschiedenen elektrogesponnenen Transplantaten entnehmen, auf eine Länge von drei Zentimetern zuschneiden und die Proben 24 Stunden lang in PBS hydratisieren.

Bei 37 Grad Celsius. Passen Sie die Transplantate über eine maßgefertigte Warze mit einem Durchmesser von 1,5 Millimeter an und sichern Sie sie mit einer Seidennaht der Stärke 2-0, indem Sie einen Chirurgenknoten binden. Legen Sie die Transplantate auf einen intelligenten Bioreaktor für das Gewebeengineering mittels mechanischer Stimulation, entwickelt von Tissue Growth Technologies.

Füllen Sie den Bioreaktor mit 500 Milliliter PBS bei 37 Grad Celsius. Stellen Sie den Bioreaktor so ein, dass eine zyklische Druckänderung von einem Hertz im Inneren des Transplantats erzeugt wird, und testen Sie drei verschiedene Druckstufen von 90 über 50, 120 über 80 und 150 über 110 Millimeter Quecksilbersäule für systolische und diastolische Drücke. Wenn die Elektrospinnprotokolle korrekt durchgeführt werden, sollte das Endprodukt ein weiches, nahtloses Rohr sein, wie hier dargestellt, ohne anfängliche Anzeichen einer Deaminierung zwischen den Schichten.

Hier ist eine delaminierte Röhre zum Vergleich dargestellt. Dieses Bild liefert Informationen zu den axialen Zugfestigkeitswerten des UNI für maximale tangentiale Spannung und Bruchdehnung für einzelne intimalen, mediale und adventitielle Schichten mit spezifischen PCL-Elastin-Kollagen-Mischungen. Die Trends zeigen eine Zunahme der maximalen Spannung und des tangentialem Moduls mit steigendem PCL-Gehalt, während die Bruchdehnung abnimmt. Ergebnisse zur Nahtretention sind hier dargestellt, wobei E-P-T-F-E die höchste Nahtretention aufweist und das Verhältnis 65 zu 25 zu 10 am nächsten am Standard der Vena saphena liegt, dargestellt als gestrichelte Linie. Nicht lebensfähige Schweinefemoralarterie und E-P-T-F-E wurden zum Vergleich getestet.

Der Berstdruck, wie er in diesem Diagramm dargestellt ist, zeigt, dass Materialien mit den Zusammensetzungen 55 zu 35 zu 10 und 65 zu 25 zu 10 den höchsten Berstdruck aufweisen. Dies entspricht in etwa den 1.600 Millimeter Quecksilber, die das American National Standards Institute für alle vaskulären Prothesen, die für den Markteinsatz vorgesehen sind, vorschreibt. Abschließend zeigen Komplianztests, die bei drei verschiedenen mittleren arteriellen Druckwerten mittels interner Radarvermessung durchgeführt wurden, wie ein alleiniger Anstieg des PCL-Gehalts in der Media-Schicht eine schrittweise Abnahme der Komplianz bei allen drei Arten physiologischer Druckwerte bewirken kann. Der kritischste Teil dieser Studie ist der gesetzgebende Prozess.

Bei Verwendung eines Eingangs-zu-Ausgangs-Verhältnisses von drei zu eins kann es zu Druckverlust am Düsenaustritt kommen. In diesem Fall kann die Ausbuchtung mit einem Polymer verbunden sein, das gerade elektrisch gesponnen wird, und ebenfalls abnehmen. Dies kann zu verschweißten nassen Fasern und Delamination zwischen den drei Schichten führen.

Daher ist ein konstantes elektrisches Potential unerlässlich, wenn ein dreilagiges vaskuläres Transplantat elektrisch gesponnen wird.