SUPERVISOR
داریوش سمنانی (استاد راهنما) سعید کرباسی (استاد مشاور)
STUDENT
Javad Yekrang
جواد یکرنگ
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Producing the Multi-Layer Knitted Prosthesis and Optimizing its Mechanical Properties in order to Substitution with Disordered Esophageal Tissues
Esophageal cancer is a prevalent disease in Iran. Esophagus is a tubular-shaped organ that connects the mouth and throat to the stomach. Treatment of the esophagus disorders is usually performed with substitution surgeries. However, the success rate of these surgeries is approximately 30 %-40 %. Today, the tissue engineering methods deal novel solutions for treatment of the esophageal diseases with natural and synthetic scaffolds and prostheses. such structures should have appropriate mechanical properties to adapt with forces exerted by food bolus. In this study, a novel biodegradable multi-layer esophageal prosthesis has been produced using the natural and synthetic fibers and nanofibers. It was assumed that each element in multi-layered structure contribute to different mechanical aspects of multi-layer esophageal prosthesis. The tubular knitted silk fabric (substrate of the prosthesis) was used to mimic the muscular layer of the esophagus. The muscular layer function is to strengthen the esophageal wall against the exerted pressure from food bolus. The silk yarn was selected to knit the tubular fabrics due to its remarkable elasticity (35%), mechanical properties (up to 4.8 GPa) and good long-term biological features. The PU nanofiber was also chosen to mimic the thin elastic tissues in lamina propria and thin elastic fibers in muscularis mucosae (submucosa) layers of the esophagus. The inner layer also consists of polytetrafluoroethylene (PTFE) nanofibers to prevent from liquid leakage into the prosthesis. There is also a thin layer of polyurethane nanofibrous layer to fix the PTFE nanofibers on the multi-layer structure. Optimization process has been performed in two steps. At first, twenty different tubular structures of knitted silk fabrics were produced and mechanical properties were measured in both directions. The mechanical properties were optimized using artificial neural network (ANN) and genetic algorithm (GA) and optimum knitted structure was produced as a substrate for coating with PU nanofibers. In second step, twenty different samples were produced by electrospinning the PU nanofibers at different process conditions (collector speed, feeding rate) on optimized structure of the knitted fabric. Finally, the elastic properties of the bi-layered tubular structures were measured and optimized by ANN and GA methods. The optimized bi-layered structure was then coated with PTFE/PVA nanofibers of 527 nm diameter. Mechanical properties including the ultimate stress and strain, the elastic modulus at 40% strain and structure behavior after 50 cycles of loading-unloading were measured. In addition, the physical properties including the dynamic contact angle and degradation behavior of multi-layer prosthesis were also investigated. Results presented that the optimized multi-layer structure of the esophageal prosthesis had proper mechanical properties similar to esophagus. The dynamic contact angle was measured as 140 degrees that represents a highly hydrophobe structure. Therefore, the developed prosthesis can prevent from leakage of liquids into the structure. Most of esophagus disorders are caused by gastroesophageal reflux disease (acidic, pH=2) and bile flow upward into the esophagus (basic, pH=8). Such acidic and basic conditions can affect the degradation of any implemented prosthesis and shall be considered in degradation studies. Therefore, three different degradation environments were investigated for esophageal prosthesis. Results showed a slow rate of degradation in basic and phosphate buffer saline solutions. But, acidic condition represented a vigorous degradation of silk knitted structure up to 90%. It can be said that the developed prosthesis also can be used as a scaffold for cell adhesion, growth and proliferation during the regeneration of new tissue and implementation time. MTS assay was also performed to investigate the cytotoxicity of applied materials using the mesenchymal stem cells. Results indicated that mesenchymal cells have kept their viability during a period of 7 days. It can be concluded that this structure can be used as a substitute in esophagus disorders. A novel rheological model was also proposed for the tubular knitted structures. Twenty different structures of tubular silk weft knitted fabrics were produced and their mechanical properties were measured in longitudinal and circumferential directions under constant rate of elongation (CRE). Twelve samples were used to study the performance of seven rheological models to investigate the mechanical behavior of the tubular knitted structures. Results showed that rheological model of a nonlinear spring (that follows the power rule) in parallel with a Newtonian dashpot, can properly describe the mechanical behavior of the tubular fabrics under loading.
سرطان مری در کشور ایران شیوع فراوانی دارد. عادات غذایی و رفتاری نامناسب و همچنین شرایط زیستمحیطی خاص ایران باعث شده سرطان مری بعد از سرطان ریه به عنوان دومین سرطان شایع در بین مردم کشور شناخته شود. با توجه به این موضوع انجام پژوهش و تحقیقات در زمینه توسعه داربستی که بتواند خصوصیات رفتاری و مکانیکی مری را شبیهسازی کند ضروری به نظر میرسد. تحقیقات صورت گرفته تاکنون بیشتر بر روی توسعه استنتهای فلزی قابل انبساط متمرکز بوده و تحقیقات بسیار کمی بر روی قابلیت استفاده از داربستهای منسوجی در این زمینه انجام شده است. در این رساله تلاش بر ساخت ساختاری چندجزئی با ترکیب روشهای الکتروریسی و بافت حلقوی و بهینهسازی خصوصیات مکانیکی و رفتاری مری به عنوان جایگزین برای بافتهای آسیب دیده مری میباشد. با توجه به ساختار لایهای مری ، داربستی چندلایه ساخته شد که لایههای مختلف آن عبارتند از : لایهی بیرونی متشکل از بافت حلقوی بافت از نخهای ابریشم به عنوان معادل لایهی عضلانی و لایهی استحکام دهنده به ساختار، غلاف میانی متشکل از نانوالیاف الاستیک پلییورتان به عنوان معادل لایهی زیر مخاطی و جهت فراهم کردن رفتار الاستیک مری، پوشش درونی متشکل از نانوساختار پلیتترافلوئورو اتیلن (تفلون) به منظور ممانعت از بروز نشت مایعات و مواد غذایی به درون ساختار چند جزئی و در نهایت لایهای بسیار نازک از الیاف پلییورتان برای در برگیری الیاف تفلون داخلی. در هر مرحله از تولید دو لایه از داربست نهایی ساختار بهینه بر اساس مشخصههای ساختاری و به کمک روش شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم ژنتیک شناسایی شده و به عنوان ساختار مطلوب برای رسیدن به ساختار نهایی در مرحلهی بعد مورد استفاده قرار گرفته شد. با توجه به نتایج به دست آمده از روش بهینهسازی به کار گرفته شده ساختار نهایی تولید شد. آزمونهای مکانیکی شامل اندازهگیری استحکام و کرنش تا حد پارگی، مدول الاستیک در کرنش 40 درصد و رفتار ساختار در برابر بارگذاریهای متوالی، و آزمونهای مربوط به خصوصیات فیزیکی شامل اندازهگیری زاویهی تماس پویا ،تخلخل لایهی نانوالیافی و رفتار تخریبپذیری در محیطهای مختلف انجام شد. برای بررسی اثر عوامل ساختاری و فرآیندی مختلف بر خصوصیات مکانیکی و فیزیکی (قطر و آرایشیافتگی نانوالیاف) نیز از آزمونهای آماری تحلیل واریانس یک طرفه و آزمون دانکن استفاده شد. نتایج تجربی بدست آمده نشان دادند که ساختار بهینهی به دست آمده خصوصیات مکانیکی بسیار نزدیکی به خصوصیات مکانیکی مطلوب و مورد نظر عضو مری دارد. ضمن این که ساختار چندلایهی تولید شده در این روش رفتار مناسبی در برابر بارگذاریهای متوالی از خود نشان میدهد. آزمونهای مربوط به اندازهگیری زاویهی تماس پویا نیز نشان داد که با استفاده از الیاف تفلون در ساختار چندلایه در مقایسه با حالت عدم استفاده از این الیاف تا 20 درجه (زاویهی تماس 140 درجه) زاویهی تماس افزایش داشته است. زاویهی بالای تماس به دست آمده برای ساختار نهایی بیانگر قابلیت ترشوندگی پایین آن و در نتیجه توانایی ساختار برای جلوگیری از نشت به سمت داخل مایعات میباشد. بررسی تخریبپذیری ساختار نهایی در سه محیط خنثی، اسیدی و قلیایی نیز نشان داد که محیطهای قلیایی و خنثی تاثیر بسیار ملایمی بر تخریبپذیری ساختارها داشتهاند. در مقابل تخریب شدید ساختار حلقویبافت ابریشمی (تا 90 درصد) پس از یک دورهی دو ماهه نشان میدهد که با توجه به محیط اسیدی ناشی از برگشت اسید معده به سمت مری در بیماریهای مری، داربست ساخته شده از قابلیت زیستتخریبپذیری مناسبی در محل جایگزین شده برخوردار خواهد بود. در نهایت برای بررسی عدم سمیت سلولی ساختار داربست مری از آزمون MTS استفاده شد. برای این منظور از سلولهای بنیادی مزانشیمی در یک دورهی هفت روزه استفاده شد. نتایج آزمون MTS نشان دادند که میزان رشد سلولها در ظرف کشت و سطح ساختار تولید شده تفاوت معناداری نداشته و رشد سلولها در داربست پس از گذشت هفت روز بیشتر از رشد سلولها در ظرف کشت بوده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی تهیه شده از داربستها در روزهای اول، سوم، پنجم و هفتم نیز بیانگر افزایش رشد سلولها به مرور زمان میباشد. در قسمت مدلسازی رساله، ابتدا مدلهای رئولوژیکی مختلف برای ساختار حلقویبافت لولهای مورد بررسی قرار گرفته و نتایج بدست آمده از هر مدل با نتایج تجربی مقایسه شدند. بر اساس نتایج بدست آمده از برازش مدلهای مکانیکی مختلف و نتایج تجربی، مدل بهینه برای معرفی ساختار حلقویبافت پودی انتخاب شده و با استخراج روابط ریاضی حاکم بر مدل، ثابتهای مدل برای پارچهی لولهای شکل محاسبه شدند. در مرحلهی بعد با افزودن یک عنصر الاستیک خطی (فنر خطی) به مدل اولیه مدل رئولوژیک ساختار پوشش داده شده با نانوالیاف کشسان پلییورتان توسعه داده شد. نتایج حاصل از مدلسازی با استفاده از عوامل رئولوژیک برای هر دو حالت تک لایه و دو لایه از ساختار نهایی توافق بسیار خوبی با نتایج تجربی داشته و رفتار مکانیکی ساختارهای مختلف را به خوبی توصیف میکنند. با توجه به خصوصیات مکانیکی و فیزیکی به دست آمده برای ساختار داربست مری تولید شده در این رساله میتوان گفت که میتوان از این ساختار به عنوان جایگزینی مناسب برای بافتهای آسیبدیدهی مری استفاده کرد. باید توجه داشت که علیرغم مزایای بسیار این ساختار از قبیل خصوصیات مکانیکی نهایی ، تخریبپذیری، عدم سمیت سلولی، جلوگیری از نشت به سمت داخل و بدون درز بودن آن و با توجه به رفتار مکانیکی پیچیدهی عضو مری، فاقد برخی از خصوصیات مطلوب مری مانند حرکت دودی شکل آن میباشد که به عنوان یک حرکت غیر ارادی از پیچیدگیهای بالایی در طراحی برخوردار است.