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Bioengineering

Tri-capa electrospinning que imita la arquitectura nativa arterial con policaprolactona, elastina, colágeno y: un estudio preliminar

doi: 10.3791/2084 Published: January 4, 2011

Summary

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.

Abstract

A lo largo de la arteria nativa, el colágeno y la elastina desempeñan un papel importante, proporcionando una red troncal mecánica, evitando la rotura del recipiente, y promover la recuperación en deformaciones pulsátil. El objetivo de este estudio fue el de imitar la estructura de la arteria nativa mediante la fabricación de un conducto electrospun compuesta de varias capas de poli (caprolactona) (PCL) con la adición de elastina y colágeno, con mezclas de 45-45-10, 55-35 - 10 y 65-25-10 PCL-ELAS-COL para demostrar las propiedades mecánicas del tejido arterial indicativo nativos, sin dejar de ser propicio para la regeneración de los tejidos. Injertos de conjunto y las capas individuales se analizaron mediante el ensayo de tracción uniaxial, el cumplimiento dinámico, retención de la sutura, y la resistencia a la rotura. Los resultados revelaron que el cumplimiento de los cambios en la capa media / media cambiado el comportamiento general del injerto con todo el cumplimiento de los valores de injerto que van desde 0,8 hasta 2,8% / 100 mmHg, mientras que los resultados demostraron una amplia uniaxial módulo promedio de 2,0 a 11,8 MPa. Tanto los datos del módulo y el cumplimiento de mostrar los valores dentro del rango de la arteria nativa. Modelos matemáticos se llevó a cabo para mostrar cómo los cambios en la rigidez de la capa de afectar el estrés en general pared circunferencial, y como ayuda de diseño para lograr la mejor combinación mecánica de los materiales. En general, los resultados indicaron que un injerto puede ser diseñado para imitar una estructura de tres capas mediante la alteración de las propiedades de capa.

Protocol

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  1. Antes de electrospinning, colágeno, a partir de 6 meses dermis bovina, debe ser extraído por medio de un proceso basado en ácido acético. Este colágeno extraído se purifica a través de una serie posterior de las disoluciones, las precipitaciones, y diálisis. Una vez que el colágeno liofilizado es, el proceso de electrospinning puede comenzar.
  2. Tres materiales están concentrados: policaprolactona (PCL), elastina (ELAS) y colágeno (COL). Estos materiales serán por separado disuelto en 1,1,1,3,3,3 hexafluoro-2-propanol (HFP, Islas Turcas y Caicos Estados Unidos) a concentraciones de 100 mg / ml, 200 mg / ml, y 70 mg / ml, respectivamente.
  3. Los materiales se mezclan en cinco viales de centelleo diferentes relaciones volumétricas de 98-2-0 PCL-ELAS-COL (íntima), 45-45-10, 55-35-10, 65-25-10 y PCL-ELAS COL- (medios), y 70-0-30 PCL-ELAS-COL (adventicia).
  4. Para los ensayos de tracción uniaxial y las pruebas individuales capa de cumplimiento, cada uno de los materiales se electrospun individual, mientras que varias capas injertos vasculares para estallar, retención de la sutura, y la prueba de conformidad se electrospun de una configuración de 3 a 1. Uniaxial andamios de ensayos de tracción son planas y rectangulares (2,5 cm de ancho x 10,2 cm de largo x 0,3 cm de espesor), ya que los dos mandriles mm de diámetro, utilizado para electrospin capas individuales y los injertos de varias capas eran demasiado pequeños para la perforación de muestras de ensayo.
  5. Por tanto electrospinning individuales y de múltiples capas, las soluciones de polímeros fueron cargados en un plástico de 3 ml jeringa Becton Dickinson, con un 18 calibre romo punta de la aguja, y se coloca en una bomba de jeringa a un ritmo dispensario conjunto. Las tasas individuales de electrospinning se establece en 4 ml / hora, mientras que las tasas de varias capas electrospinning fueron variadas en función de la transición y la capa. Caudales y volúmenes fueron como tal: la íntima fue electrospun a un ritmo de 4 ml / hora y un volumen de 0,5 ml seguido por una transición que combina ambas jeringas íntima y media de 0,2 ml a 2 ml / hora cada uno. La jeringa íntima fue cerrado luego de la capa media y se le permitió girar por 0.6 ml a 4 ml / h seguido por una transición entre la media y la adventicia de 0,2 ml de solución de polímero en 2 ml / hora cada uno. Finalmente, los medios de comunicación se detuvo y la adventicia se le permitió girar por 0.4 ml a 4 ml / hr.
  6. Todas las muestras fueron entrecruzados en 50 mM de EDC durante 18 horas antes de cualquier prueba 1.
  7. Ensayo de tracción uniaxial se realizó en seis muestras de una hoja electrospun hidratado en PBS durante 24 horas. "Hueso de perro", las muestras fueron perforados en forma de esteras electrospun y probado en un sistema MTS Bionix pruebas de 200 con una célula de carga de 100 N y una tasa de extensión de 10,0 mm / min. Pico de estrés, el módulo, y alargamiento a la rotura se calcula utilizando la versión TestWorks 4.
  8. Pruebas de sutura de retención se realizó en seis muestras de 2 mm de diámetro interior tubular de seis injertos electrospun diferentes, empapado en PBS durante 24 horas a 37 ° C, en un sistema MTS Bionix pruebas de 200 con una célula de carga de 50 N (MTS Systems Corp.) y una tasa de extensión de 150,0 mm / min, de acuerdo con la recta a través de procedimiento que se describe en el American National Standards Institute 2. 5-0 comercial PDS II sutura monofilamento violeta se puso 2 mm desde el final de la muestra y se extendió hasta la sutura se había retirado a través del injerto. La carga máxima se registró en gramos-fuerza con la versión TestWorks 4.
  9. Prueba de fuerza de ráfaga se llevó a cabo en seis muestras de seis injertos electrospun diferentes. Tubos de estallar, 2-3 cm de longitud, se hidrataron en PBS, equipado a más de 1,5 mm de diámetro pezones conectado al dispositivo, y se fija con sutura de seda 2-0. Se introdujo aire en el sistema, aumentando la presión a una velocidad de 5 mmHg / s hasta los tubos de explosión 2. Los resultados se presentan como la presión en mmHg en la que los tubos rotos.
  10. La distensibilidad dinámica se determinó por seis injertos de 2 mm de diámetro interior tubular tomada de seis injertos electrospun diferentes en una longitud de 3 cm por debajo de simular las condiciones fisiológicas. Ambas capas individuales y de múltiples capas construcciones tubulares se electrospun y probado en las mismas condiciones. Las muestras fueron probadas en una ingeniería de tejidos inteligentes a través de la estimulación mecánica (elementos) biorreactor desarrollado por las tecnologías de crecimiento de tejido lleno de PBS a 37 ° C. El biorreactor siempre un cambio cíclico de presión de 1 Hz en el interior del injerto, en el que tres diferentes niveles de presión de 90/50, 120/80 y 150/110 mmHg sistólica / diastólica fueron investigados 2, 3.

Resultados representante

Cuando los protocolos electrospinning se llevan a cabo correctamente, el producto final debe ser un tubo suave y sin fisuras, sin signos iniciales de la delaminación entre las capas. Cuando los ensayos de tracción uniaxial, pruebas de estallido fuerza, las pruebas de sutura de retención, y las pruebas de cumplimiento se llevan a cabo, los resultados deben indicar que a medida que la rigidez de capa media es mayor, con cantidades reducidas de la elastina, las propiedades mecánicas asociadas deben demostrar un tubo rígido.

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Discussion

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La parte más crítica de este estudio es el proceso de electrospinning. Cuando se utiliza un 3-1 de entrada y salida de la boquilla, arco y la pérdida de carga puede ocurrir. Si esto ocurre, la tensión asociada con el polímero que está girando disminuirá, haciendo soldado, "húmedo", las fibras y la creación de la delaminación entre cada una de las tres capas. Por lo tanto, de acuerdo potenciales eléctricos son esenciales para obtener un ideal de múltiples capas del tubo.

Desajuste de cumplimiento es una de las principales causas de la oclusión del injerto a nivel de pequeño diámetro. El desarrollo de un injerto vascular de múltiples capas ofrece la posibilidad de personalizar las propiedades del injerto hacia algo que podía imitar la biomecánica natural y la arquitectura de la arteria nativa. Como pasos en el procesamiento de un avance de varias capas de injerto vascular en el futuro, nuestro laboratorio se investigará las posibles limitaciones tales como la exfoliación de las capas, mientras que el andamio se somete a la degradación, además de un tamaño adecuado de los poros de la infiltración celular. Para probar esto, tanto acelular y celular en los estudios de degradación in vitro se realiza con la cultura estática y dinámica. Estas pruebas determinarán tanto las capacidades migratorias de los andamios y la forma en que efectivamente se degradan bajo condiciones fisiológicas.

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Disclosures

Varios autores han Estados Unidos y patentes internacionales pendientes relativas a la tecnología presentada en este manuscrito, y esta tecnología ha sido licenciada a Organogenesis, Inc.

Acknowledgments

Nos gustaría agradecer a la Asociación Americana del Corazón del Atlántico medio de afiliados (0555407U, GLB) para su financiación.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Polycaprolactone Sigma-Aldrich
Elastin Elastin Products Company
Collagen
Acetic Acid Fisher Scientific
Sodium Chloride Fisher Scientific
TRIS Fisher Scientific
6 L Avanti J-HC Centrifuge Beckman Coulter Inc.
1,1,1,3,3,3 hexafluoro-2-propanol TCI America
3 ml Becton Dickinson Syringe
CZE1000R Rack Mount Power Supply Spellman
High-Pressure Syringe Pump Cole-Parmer
1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide Pierce, Thermo Scientific
70 % ethanol Sigma-Aldrich
ImageTool 3.0 software Shareware provided by UTHSCSA
Scanning Electron Microscope Carl Zeiss, Inc.
MTS Bionix 200 testing system MTS Systems Corp.
TestWorks version 4
Intelligent Tissue Engineering via Mechanical Stimulation (ITEMS) Bioreactor Tissue Growth Technologies

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References

  1. McClure, M. J., Sell, S. A., Barnes, C. P., Bowen, W. C., Bowlin, G. L. Cross-linking Electrospun Polydioxanone-Soluble Elastin Blends: Material Characterization. Journal of Engineered Fibers and Fabrics. 3, 1-10 (2008).
  2. Cardiovascular implants - Vascular graft protheses. VP20, AAMI Press. Bethesda, MD. (1994).
  3. McClure, M. J., Sell, S. A., Simpson, D. G., Walpoth, B. H., Bowlin, G. L. A three-layered electrospun matrix to mimic native arterial architecture using polycaprolactone, elastin, and collagen: A preliminary study. Acta Biomater. (2010).
Tri-capa electrospinning que imita la arquitectura nativa arterial con policaprolactona, elastina, colágeno y: un estudio preliminar
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McClure, M. J., Sell, S. A., Simpson, D. G., Walpoth, B. H., Bowlin, G. L. Tri-layered Electrospinning to Mimic Native Arterial Architecture using Polycaprolactone, Elastin, and Collagen: A Preliminary Study. J. Vis. Exp. (47), e2084, doi:10.3791/2084 (2011).More

McClure, M. J., Sell, S. A., Simpson, D. G., Walpoth, B. H., Bowlin, G. L. Tri-layered Electrospinning to Mimic Native Arterial Architecture using Polycaprolactone, Elastin, and Collagen: A Preliminary Study. J. Vis. Exp. (47), e2084, doi:10.3791/2084 (2011).

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