Tri-capa electrospinning que imita la arquitectura nativa arterial con policaprolactona, elastina, colágeno y: un estudio preliminar
4 de enero de 2011
El objetivo de este estudio fue simular el nativo de tres arquitectura en capas de la pared arterial. Para lograr esto, electrospinning se empleó con el uso de un 3-1 (input-output) de la boquilla y mezclas de policaprolactona, elastina y colágeno.
El objetivo general del siguiente experimento es observar cómo los cambios en las propiedades de los materiales de diferentes capas pueden afectar las propiedades mecánicas generales del injerto. Esto se logra preparando soluciones poliméricas naturales y sintéticas para proporcionar parámetros óptimos de electrohilado. Como segundo paso, las soluciones deben combinarse en proporciones específicas, lo que provocará el cambio deseado en las propiedades del material.
A continuación, gire electrostáticamente las soluciones sobre un mandril cilíndrico para crear una estructura multicapa con propiedades mecánicas variables. Se obtienen resultados que muestran cambios en las propiedades mecánicas según la compliancia, la resistencia al nacimiento, la retención de sutura, la prueba de tracción uniaxial y el análisis matemático. Hola, mi nombre es Michael McClure.
Hoy voy a hablarles sobre la esponja electrohilada de tres capas de los injertos. Una de las principales ventajas de nuestra técnica frente a otras, como los injertos vasculares singulares, es nuestra capacidad para ajustar con precisión las propiedades del material en capas individuales, afectando así las propiedades generales del material ME. Antes de la electrospinning, extraiga colágeno del corion bovino de seis meses utilizando un proceso basado en ácido acético. Este colágeno extraído se purifica posteriormente mediante una serie de disoluciones, precipitaciones y diálisis. Recolecte al menos 500 miligramos de colágeno liofilizado para el procedimiento de electrospinning.
A continuación, utilizando un vial de centelleo de 20 mililitros, prepare una solución de 100 miligramos por mililitro de policaprolactona midiendo 150 miligramos de perlas de monómero y disolviéndolos en 50 mililitros de 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol. Mediante el mismo procedimiento, prepare siete mililitros de elastina al 200 miligramos por mililitro y siete miligramos por mililitro de colágeno. Luego, utilice cinco viales de centelleo y combine cinco mililitros totales de las soluciones de PCL, elastina y colágeno en cada vial en las siguientes proporciones volumétricas: 98:2:0 (PCL:elastina:colágeno), que representa la íntima arterial; 45:45:10, 55:35:10 y 65:25:10 (PCL:elastina:colágeno), que representan la media arterial; y 70:0:30 (PCL:elastina:colágeno) para la adventicia arterial.
Ahora, utilizando una aguja rombuda de tres mililitros y calibre 18, cargue tres mililitros de solución en una bomba de jeringa. Para las propiedades materiales individuales de cada solución de PCL Elastina colágeno, establezca la velocidad de dispensación en cuatro mililitros por hora durante un total de tres mililitros.
Estas soluciones serán electrohiladas sobre un mandril rectangular para diseñar injertos multicapa con soluciones poliméricas de elastina colágeno PCL. La velocidad de electrohilado variará según la transición y la capa electrohilada: las soluciones poliméricas para la íntima a cuatro mililitros por hora y un volumen de 0,5 mililitros, seguidas por una transición que combina las jeringas íntima y media usando 0,2 mililitros y una velocidad de electrohilado de dos mililitros por hora cada una. A continuación, se desconectará la jeringa íntima y se electrohilará la capa media durante 0,6 mililitros a cuatro mililitros por hora.
A continuación, realice una transición entre las jeringas de medio y adventis con 0,2 mililitros de solución polimérica a una velocidad de dos mililitros por hora cada una. Finalmente, detenga la jeringa de medio y continúe el electrohilado del adventis con 0,4 mililitros a una velocidad de cuatro mililitros por hora. Después del electrohilado, utilice 50 milimolar de EDC en cada muestra y permita 18 horas para la reticulación antes de realizar pruebas adicionales.
Para evaluar los materiales electrohilados en cuanto a parámetros de tracción uniaxial, primero hidrate la lámina electrohilada en 15 mililitros de PBS 1X durante 24 horas en una placa de Petri. Luego, utilizando un punzón en forma de hueso con una longitud útil de 7,5 milímetros y un ancho de 2,5 milímetros en su punto más estrecho, corte seis muestras del material electrohilado. Esta forma garantizará la falla del material en su sección más angosta.
A continuación, utilizando un sistema de pruebas MTS Bionics 200, pruebe las muestras BUN de los electrodos con una celda de carga de 100 N y una velocidad de extensión de 10 milímetros por minuto. Utilice el software de trabajo de prueba para calcular la tensión máxima, el módulo y la deformación en la ruptura de cada producto material individual. Para evaluar la retención de sutura de los injertos multicapa, recolecte seis especímenes tubulares diferentes de esponja electrostática de dos milímetros de diámetro y tres milímetros de longitud, y sumerja los especímenes en una placa de Petri con PBS 1X durante 24 horas en un incubador a 37 grados Celsius.
Luego, utilice una celda de carga de 50 N y una velocidad de extensión de 150 milímetros por minuto. Para probar la retención de sutura con el sistema biónico MTX 200, coloque cinco PD comerciales cero. Dos monofilamentos violetas.
Suture a dos milímetros del extremo de la muestra utilizando un par de calibres para medir y extender hasta que la sutura atraviese el injerto; registre la carga máxima en gramos de fuerza utilizando TestWorks, versión cuatro. Para evaluar la resistencia a la ruptura en injertos electrohilados, recolecte otros seis especímenes tubulares electrohilados diferentes de dos milímetros de diámetro y de dos a tres centímetros de longitud, e hidrátelos en PBS durante 24 horas a 37 grados Celsius. Tras la hidratación, coloque el tubo sobre una tetina de 1,5 milímetros de diámetro conectada al dispositivo y fíjelo con una sutura de seda número 2-0 atando un nudo quirúrgico alrededor del injerto y el extremo de la tetina. A continuación, introduzca aire en el sistema de ruptura y aumente la presión a una velocidad de cinco milímetros de mercurio por segundo hasta que los tubos revienten.
Recopile datos sobre la resistencia a la rotura como presión en milímetros de mercurio a la que se rompen los tubos. Finalmente, evalúe la compliancia dinámica obteniendo seis injertos tubulares de dos milímetros de diámetro, tomados de seis injertos electrohilados diferentes, cortados a una longitud de tres centímetros. Hidrate las muestras en PBS durante 24 horas.
A 37 grados Celsius. Coloque los injertos sobre una tetina personalizada de 1,5 milímetros de diámetro, asegurándolos con una sutura de seda número dos cero mediante un nudo quirúrgico. Coloque los injertos en un biorreactor inteligente para ingeniería de tejidos mediante estimulación mecánica, desarrollado por Tissue Growth Technologies.
Llene el biorreactor con 500 mililitros de PBS a 37 grados Celsius. Configure el biorreactor para proporcionar un cambio cíclico de presión de un hercio en el interior del injerto y pruebe tres niveles diferentes de presión de 90 sobre 50, 120 sobre 80 y 150 sobre 110 milímetros de mercurio para las presiones sistólica y diastólica. Cuando los protocolos de electrohilado se llevan a cabo correctamente, el producto final debe ser un tubo suave y sin costuras como se observa aquí, sin signos iniciales de desaminación entre las capas.
Se muestra aquí un tubo deslaminado para su comparación. Esta imagen proporciona información sobre los valores del ensayo de tracción axial UNI para la tensión máxima tangencial y la deformación hasta la ruptura de las capas íntima, media y adventicia individuales que contienen mezclas específicas de PCL, elastina y colágeno. Las tendencias indican un aumento de la tensión máxima y del módulo tangencial con el incremento del contenido de PCL, mientras que la deformación hasta la ruptura disminuye. Los resultados de retención de sutura se muestran aquí, siendo el E-P-T-F-E el que presenta la mayor retención de sutura, y la proporción 65 a 25 a 10 la más cercana al estándar de vena safena, representado mediante una línea discontinua. Se evaluaron como comparación una arteria femoral de cerdo no viable y el E-P-T-F-E.
La presión de rotura, tal como se muestra en esta gráfica, indica que los materiales 55 a 35 a 10 y 65 a 25 a 10 presentan la presión de rotura más alta. Esto es similar a los 1.600 milímetros de mercurio que la American National Standards Institute exige para todos los injertos vasculares destinados al uso comercial. Por último, las pruebas de compliancia determinadas mediante radar interno a tres presiones arteriales medias diferentes indican cómo un aumento del contenido de PCL únicamente en la capa media puede provocar una disminución gradual de la compliancia para los tres tipos de presiones fisiológicas. La parte más crítica de este estudio es el proceso legislativo.
Al utilizar una relación de entrada y salida de tres a uno, puede producirse una pérdida de carga en la boquilla. Si esto ocurre, la protuberancia se asocia con un polímero que actualmente se está electrohilando y puede disminuir también. Esto puede provocar fibras húmedas soldadas y delaminación entre las tres capas.
Por lo tanto, un potencial eléctrico constante es esencial al hilar eléctricamente un injerto vascular trifásico.
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Resumen
Este estudio tiene como objetivo replicar la arquitectura nativa de tres capas de la pared arterial mediante técnicas de electrohilado. Al emplear mezclas de policaprolactona, elastina y colágeno, la investigación analiza cómo las variaciones en las propiedades de los materiales influyen en las características mecánicas del injerto.
Componentes Clave del Estudio
Área de la Ciencia
- Ingeniería biomédica
- Ingeniería de tejidos
- Ciencia de materiales
Antecedentes
- La pared arterial consta de tres capas distintas.
- Comprender las propiedades mecánicas es crucial para el rendimiento del injerto.
- La electrohilado es una técnica utilizada para crear estructuras fibrosas.
- La policaprolactona, la elastina y el colágeno son materiales clave en la ingeniería de tejidos.
Objetivo del estudio
- Imitar la estructura natural de las paredes arteriales.
- Evaluar cómo las propiedades de diferentes capas afectan el rendimiento mecánico.
- Optimizar los parámetros de electrohilado para obtener características del material deseadas.
Métodos Utilizados
- Preparación de soluciones de polímeros naturales y sintéticos.
- Combinación de soluciones en proporciones específicas.
- Electrohilado sobre un mandril cilíndrico.
- Evaluación de las propiedades mecánicas mediante diversas pruebas.
Resultados principales
- Se observaron cambios en las propiedades mecánicas según la compliancia.
- Se midieron la resistencia al nacimiento y la retención de sutura.
- La prueba de tracción uniaxial proporcionó información sobre el comportamiento del material.
- El análisis matemático respaldó los hallazgos experimentales.
Conclusiones
- El estudio logró imitar con éxito la estructura de la pared arterial.
- Las propiedades del material influyen significativamente en el rendimiento del injerto.
- La electrohilatura es eficaz para crear estructuras multicapa.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La electrohilatura triplana de policaprolactona, elastina y colágeno permite la ingeniería precisa de injertos vasculares que imitan de cerca la mecánica arterial nativa. Este enfoque facilita la reducción de riesgos en etapas tempranas al permitir la modulación sistemática de propiedades específicas de cada capa y la evaluación cuantitativa de la compliancia, la resistencia a la rotura y la retención de la sutura. El método proporciona una plataforma para la evaluación predictiva del rendimiento del injerto, orientando las decisiones de avance o interrupción en el desarrollo preclínico de dispositivos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite pruebas basadas en hipótesis de mezclas de materiales para imitar arterialmente con funciones específicas.
- Apoya la reducción mecanicista de riesgos al aislar el impacto de las composiciones individuales de las capas sobre la mecánica general del injerto.
- Facilita la validación cuantitativa de objetivos mediante la medición directa del módulo, la compliancia y la resistencia a la rotura.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Proporciona una fabricación estandarizada y reproducible de injertos multicapa para flujos de trabajo de pruebas mecánicas posteriores.
- Genera resultados cuantitativos (por ejemplo, módulo, compliancia) esenciales para la selección de formulaciones de materiales candidatos.
- Permite la comparación confiable del rendimiento de los injertos en diferentes proporciones de mezcla y parámetros de fabricación.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Alinea las propiedades mecánicas de los injertos diseñados con los parámetros arteriales nativos, apoyando su relevancia traslacional.
- Permite el avance ajustado al riesgo de los diseños de injertos basado en el cumplimiento de umbrales fisiológicos y regulatorios.
- Facilita la continuidad desde el descubrimiento de materiales hasta la validación preclínica mediante la integración de modelado matemático y pruebas empíricas.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este método de electrohilado en tres capas se integra en la continuidad desde el descubrimiento hasta la fase preclínica, al permitir la optimización iterativa de la mecánica del injerto y la modelización predictiva del rendimiento in vivo.
- Biología del Descubrimiento: Cuantifica cómo los cambios en los materiales específicos de cada capa afectan la función general del injerto, apoyando la comprobación de hipótesis y la aclaración de vías.
- Selección: Estandariza los resultados de las pruebas mecánicas para permitir la comparación reproducible de injertos candidatos.
- Análisis: Proporciona mediciones cuantitativas (módulo, compliancia, resistencia a la rotura) para la toma de decisiones basada en datos.
- Investigación Traductiva: Alinea las propiedades de los injertos diseñados con los parámetros de los tejidos nativos, favoreciendo la continuidad preclínica.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma modular para el diseño iterativo de injertos y su aplicación en múltiples proyectos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en el rendimiento del injerto al permitir la optimización sistemática de las propiedades del material.
- Valor operativo: Proporciona flujos de trabajo reproducibles y escalables para la fabricación y evaluación en el desarrollo de injertos vasculares.
- Valor estratégico: Orienta las decisiones de continuar o descartar y reduce el riesgo en fases avanzadas al alinear los resultados mecánicos con los requisitos fisiológicos.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización ajustada al riesgo de candidatos a injertos para su avance en la línea de desarrollo de dispositivos.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en electrohilado, química de polímeros y ensayos mecánicos.
- Exige acceso a instrumentación especializada para análisis de tracción, compliance y resistencia a la ruptura.
- Necesita una estandarización rigurosa entre equipos de los protocolos de fabricación y pruebas.
- Puede requerir adaptación de las proporciones de mezcla y parámetros del proceso según el tejido objetivo o los sistemas modelo.
- Un potencial eléctrico constante y un control preciso del proceso son fundamentales para prevenir la deslamination de capas y garantizar la reproducibilidad.
