Wytwarzanie stentgraftów małego kalibru przy użyciu elektroprzędzenia i stentów z gołego metalu rozprężalnych balonem
26 października 2016
W protokole prezentujemy metodę wytwarzania stent-graftu małego kalibru poprzez umieszczenie stentu z możliwością rozbudowy balonu pomiędzy dwiema elektroprzędzonymi warstwami nanofibrowego poliuretanu.
Ogólnym celem tego procesu produkcyjnego jest opracowanie stent-graftu o małej średnicy poprzez enkapsulację stentu rozszerzalnego balonowo w dwóch warstwach elektroprzędzionych nanowłókien poliuretanowych. Badania te pomagają nam w opracowaniu stent-graftów o małej średnicy, które goją się bardzo szybko i mogą potencjalnie otworzyć nowe zastosowania medyczne, które nie były wcześniej realizowane. Zaletą tej techniki jest to, że stent-grafty są wykonane z polimerowych nanowłókien naśladujących macierz pozakomórkową.
Proces wytwarzania jest również prosty i zapewnia korzystne właściwości mechaniczne oraz adhezyjne komórek. Aby rozpocząć, należy najpierw stopić około 8 mililitrów biokompatybilnego, spożywczego, rozpuszczalnego w wodzie materiału podporowego w cylindrze miarowym w temperaturze 155 °C. Należy również rozgrzać trzpienie ze stali nierdzewnej o długości 100 mm i szerokości 3 mm do temperatury 155 °C.
Następnie należy wyłączyć piekarnik i zanurzyć trzpień w materiale wspierającym. Potem zawiesić trzpień pionowo w piekarniku i pozwolić materiałowi zestalić się, co powinno nastąpić w temperaturze około 140 stopni Celsjusza. Nadmiar materiału powinien ścieknąć z końcówki.
Następnie przygotuj kolektor w postaci trzpienia w układzie do elektroprzędzenia. Wymaga to zastosowania mieszadła laboratoryjnego z przymocowanym plastikowym prętem, który kończy się uchwytem na trzpień. Rozpuść materiał wspierający z końcówki trzpienia, aby można go było przymocować do uchwytu.
Następnie na obu stronach trzpienia należy umieścić gumowe pierścienie uszczelniające (O-ringi), aby chronić materiał elektroprzędziony przed przewodem uziemiającym, a następnie uziemić trzpień za pomocą U-kształtnego przewodu uziemiającego. Następnie wystający koniec trzpienia należy przymocować do krótkiego uchwytu na dalekim końcu w celu zapewnienia stabilizacji. Z drugiej strony trzpień należy przyłączyć do pręta obrotowego mieszadła laboratoryjnego.
Przymocuj oba wsporniki do trzpienia za pomocą śrub i uziem elektrycznie trzpień. Następnie przygotuj układ do ekstruzji ciekłego poliuretanu. Najpierw napełnij pięciomililitrową strzykawkę szklaną, dopasowaną do pompy strzykawkowej, świeżo przygotowanym 15% roztworem poliuretanu i przymocuj tęponą igłę ze stali nierdzewnej, która będzie pełnić funkcję dyszy przędzarkowej.
Biorąc pod uwagę średnicę wewnętrzną strzykawki, zaprogramuj pompę tak, aby wypychała roztwór z prędkością 0,01 ml/min. Aby zapobiec łukowi elektrycznemu, odizoluj strzykawkę od przewodzących części pomp strzykawkowych za pomocą arkuszy gumowych. Następnie umieść strzykawkę w pompie w taki sposób, aby końcówka dyszy znajdowała się w odległości 20 cm od kolektora w formie mandrelu.
Następnie należy połączyć generator wysokiego napięcia z dyszą za pomocą klipsa krokodylka. Przed rozpoczęciem elektroprzędzenia należy wyłączyć wyciąg z dygestorium. W celu uruchomienia procesu, włącz pompę strzykawkową i obracaj kolektorem z prędkością około 50 RPM.
Następnie przyłóż różnicę potencjałów o wartości 20 kilowoltów pomiędzy dyszą a obracającym się rdzeniem kolektora. Nanowłókna poliuretanowe zaczną osadzać się na obracającym się rdzeniu, a po kilku minutach widoczna będzie cienka warstwa. Pozostaw nanowłókna poliuretanowe do narastania przez dwie godziny, aby utworzyć jednorodną rurkę.
Po zakończeniu przędzenia nanowłókien należy ponownie włączyć wyciąg z dygestorium, a następnie wyjąć trzpień z plastikowych podpór. Następnie ostrożnie nasuń stent rozszerzalny balonikiem na rurkę elektroprzędzioną, uważając, aby nie uszkodzić rurki. W razie potrzeby należy lekko rozszerzyć stent, aby łatwiej nasunął się na rurkę.
Następnie zaciśnij stent w wybranym miejscu, aby ściśle przylegał do rurki i nie przesuwał się. Pomoże to zapobiec delaminacji warstw wewnętrznej i zewnętrznej. Ponownie zamocuj trzpień w układzie i kontynuuj elektroprzędzenie tak jak wcześniej przez trzy godziny, aby wytworzyć warstwę zewnętrzną na stencie z graftem.
Następnie, gdy stent wciąż znajduje się na trzpieniu, odetnij skalpelem nadmiar poliuretanu dookoła, w odległości około jednego milimetra od każdego końca stentu. Następnie zanurz trzpień i stent-graft w wodzie dejonizowanej, aby rozpuścić materiał wspierający. Wymieniaj wodę w razie potrzeby, aż materiał wspierający zostanie całkowicie rozpuszczony.
Następnie ostrożnie zdejmij stent-graft z trzpienia i pozostaw go do wyschnięcia na powietrzu. Aby przetestować stent-graft, nasuń go na trójwarstwowy balon o średnicy 3 mm i zaciśnij go na balonie za pomocą ręcznego narzędzia do zaciskania. Pod mikroskopem sprawdź zaciśnięty stent-graft pod kątem jednorodności zacisku oraz wszelkich innych oznak uszkodzenia, takich jak delaminacja lub przebicie materiału pokrywy, co mogłoby wystąpić w przypadku zdeformowanego stentu.
Jeśli efekt jest zadowalający, należy rozszerzyć stentografię do trzech milimetrów, wprowadzając wodę do balonika trójwarstwowego za pomocą urządzenia do pompowania. Po rozszerzeniu należy ponownie obejrzeć stentografię pod mikroskopem. Należy sprawdzić, czy rozszerzenie jest jednorodne i czy nie występują oznaki uszkodzenia.
Za pomocą elektroprzędarki można wytworzyć wysokiej jakości nanowłókna poliuretanowe. Elektroprzędzenie nanowłókien poliuretanowych z wykorzystaniem tej aparatury pozwala na uzyskanie jednorodnej warstwy poliuretanu o grubości 50 mikronów nanowłókien na godzinę. Karbowanie i rozprężanie otrzymanego stent-graftu o małej średnicy wykazują, że urządzenia te mogą być wdrażane przy użyciu standardowego balonu trójskładanego bez nierównomiernego rozprężania lub oznak uszkodzenia materiału.
Po zastosowaniu tej procedury można przeprowadzić inne metody, takie jak implantacja w modelu zwierzęcym, aby zbadać funkcjonalność, trwałość i charakterystykę działania urządzenia. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o pracy w dygestorium z wyłączonym wyciągiem podczas elektroprzędzenia i ponownym włączeniu wyciągu przed wyjęciem próbki.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę wytwarzania stent-graftu małej średnicy poprzez enkapsulację stentu rozszerzalnego balonem pomiędzy dwiema warstwami elektroprządzistych nanowłókien poliuretanowych. Technika ta ma na celu stworzenie stent-graftów, które szybko się goją i wykazują potencjał w nowych zastosowaniach medycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Inżynieria materiałowa
- Opracowywanie wyrobów medycznych
Wprowadzenie
- Stenty grafty są wykorzystywane w różnych zastosowaniach medycznych.
- Obecne metody mogą nie zapewniać optymalnych właściwości gojenia.
- Polimerowe nanowłókna mogą naśladować macierz pozakomórkową.
- Udoskonalenie konstrukcji stentów graftów może poprawić wyniki leczenia pacjentów.
Cel badania
- Opracowanie stentu z graftem o małej średnicy o poprawionych właściwościach gojenia.
- Zbadanie nowych zastosowań medycznych dla stentów z graftem.
- Uproszczenie procesu produkcji przy zachowaniu wysokiej jakości.
Zastosowane metody
- Roztopić biokompatybilny, spożywczy, rozpuszczalny w wodzie materiał podporowy.
- Nagrzać stalowy trzpień do 155 °C.
- Przeprowadzić elektroprzędzenie nanowłókien poliuretanowych wokół stentu.
- Ocenić właściwości mechaniczne oraz adhezyjne komórek w przypadku stentu z graftem.
Główne wyniki
- Stenty grafty wykazały korzystne właściwości mechaniczne.
- Adhezja komórkowa uległa poprawie dzięki nanowłóknistej strukturze.
- Enkapsulacja stentu przebiegła pomyślnie przy zastosowaniu opisanej metody.
- Technika ta rokuje dobrze pod kątem przyszłych zastosowań medycznych.
Wnioski
- Metoda ta zapewnia prosty sposób wytwarzania stent-graftów.
- Istnieje potencjał do szybkiego gojenia i nowych zastosowań.
- Dalsze badania są niezbędne w celu zbadania implikacji klinicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla sektora przemysłowego
Niniejszy protokół umożliwia wytwarzanie stent-graftów małej średnicy z biomimetycznych nanofibryl poliuretanowych, które wspierają endotelizację i szybkie gojenie. Podejście to rozwiązuje kluczowy problem w rozwoju urządzeń sercowo-naczyniowych: tworzenie tromboodpornych, biokompatybilnych graftów do dostarczania przezskórnego za pomocą standardowych cewników wieńcowych. Poprzez połączenie nanofibryl otrzymanych metodą elektroprzędzenia ze stentami rozszerzalnymi balonowo, metoda ta oferuje skalowalną drogę do przedklinicznej oceny technologii naprawy naczyń.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Zapewnia biomimetyczne podłoże do badania adhezji komórek śródbłonka i odporności na zakrzepicę w modelach naprawy naczyniowej.
- Wartość operacyjna: Umożliwia szybkie prototypowanie architektur stentów graftowych do weryfikacji hipotez dotyczących oddziaływań polimer-komórka.
Przesiewy i opracowanie testów
- Wartość naukowa: Umożliwia wytwarzanie standaryzowanych powłok nanofibrylarnych do ilościowej oceny endotelializacji i odporności na zakrzepicę w warunkach przepływu.
- Wartość operacyjna: Wspiera powtarzalne wytwarzanie stentów z graftem o kontrolowanej grubości membrany, zapewniając spójne wyniki analiz w różnych laboratoriach.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Dostarcza implantowalne urządzenia o małej średnicy, kompatybilne z systemami interwencji wieńcowych, do testowania modeli ostrego uszkodzenia.
- Wartość operacyjna: Umożliwia mechaniczną walidację (zaciskanie/rozszerzanie) w celu oceny trwałości i drożności przed badaniami z implantacją u zwierząt.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w continuum od etapu odkrycia do badań przedklinicznych, umożliwiając iteracyjne projektowanie graftów naczyniowych w celu identyfikacji wiodących kandydatów oraz walidacji mechanistycznej przed rozpoczęciem badań umożliwiających złożenie wniosku o IND.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących szlaków endotelializacji z wykorzystaniem regulowanych membran nanowłóknistych jako substratów hodowlanych istotnych dla przebiegu choroby.
- Przesiewanie: Pozwala na wytwarzanie standaryzowanych stent-graftów do przesiewania formulacji polimerowych, które promują szybkie pokrycie śródbłonkiem i zapobiegają tworzeniu się zakrzepów.
- Analityka: Dostarcza mierzalnych wyników, w tym grubości membrany (50 microns/hour), integralności zacisków oraz jednorodności rozszerzania, co umożliwia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu procesu.
- Badania translacyjne: Umożliwia wytwarzanie urządzeń implantowalnych za pomocą standardowych trójskładnikowych cewników balonowych, co pozwala na bezpośrednie testowanie w przedklinicznych modelach uszkodzeń naczyniowych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy technologię platformową, którą można dostosować do różnych typów stentów i systemów polimerowych w szerokim zakresie zastosowań w naprawie naczyń krwionośnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną dotyczącą wydajności protez naczyniowych poprzez zapewnienie tromboodpornego interfejsu naśladującego macierz pozakomórkową.
- Wartość operacyjna: Zapewnia prosty, skalowalny proces wytwarzania przy minimalnych wymaganiach sprzętowych (elektroprząśnik, pompa strzykawkowa, obrotowy trzpień).
- Wartość strategiczna: Redukuje ryzyko biologiczne na późnych etapach dzięki umożliwieniu wczesnej oceny potencjału gojenia i stabilności mechanicznej w urządzeniach o małej średnicy.
- Wpływ na portfolio: Ułatwia priorytetyzację kandydatów na protezy naczyniowe z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o kinetykę endotelializacji i kompatybilność z implantacją.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu przetwarzania polimerów, parametrów elektroprzędzenia oraz technik manipulacji stentami.
- Wymaga kontrolowanego zestawu do elektroprzędzenia z generatorem wysokiego napięcia, pompą strzykawkową i obrotowym kolektorem w formie mandryla.
- Wymaga standaryzacji stężenia roztworu (15% poliuretanu), szybkości przepływu (0.01 mL/min) i napięcia (20 kV) w celu uzyskania powtarzalnego nanoskładu włókien.
- Wiąże się z koniecznością uwzględnienia adaptacji przy przenoszeniu metody na różne geometrie stentów lub systemy polimerowe przy zachowaniu jednorodności membrany.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak stopień rozpuszczenia materiału wspierającego oraz wyrównanie mandryla podczas dwuwarstwowego elektroprzędzenia.
