تولید داربست نانولیفی عروقی و بهینه‌سازی برخی از خصوصیات مکانیکی و بیولوژیکی آن

STUDENT

DEGREE

YEAR

Coronary artery disease is the most frequent cause of almost half of all deaths in developed countries and is responsible for 25% of mortality in developing countries. Tissue engineering is a promising treatment for vascular tissue regeneration. The nano fibrous scaffold is considered as the best biomimetic environment due to its morphological and dimensional similarity to the fibrillar structure of native ECM. The elasticity of biomaterial scaffolds is crucial for their efficacy in tissue engineering. In current study, we aimed to fabricate electrospun Tecophilic (TP)/gelatin scaffolds for vascular tissue engineering. To investigate the effect of scaffold stiffness towards the behavior of SMCs, composite scaffolds with different elastic moduli should be produced. Determining the most effective parameter affecting the elastic modulus of electrospun scaffolds is required to produce a limited number of scaffolds with a wide range of elastic modulus values. An artificial neural network (ANN)-based model was developed to analyze the nonlinear effects of polymeric composition, fiber diameter and fiber alignment on the elastic modulus of electrospun PCL/gelatin scaffolds. PCL was used instead of TP in modeling section of this study due to its elastic behavior in body temperature like TP in addition to its commercial availability at relatively low cost. The results of modeling showed the blending ratio of the polymers as the most important factor affecting elastic modulus of a composite electrospun scaffold. Therefore, composite scaffolds of TP/gel with weight ratios of 100:0, 70:30, 50:50, and 30:70 were electrospun which lead to differences not only in scaffold stiffness, but also in RGD ligand density of TP/gel scaffolds. Scaffold stiffness and relative presence of ligand density within the fibers were evaluated using uniaxial tensile test and FTIR analysis, respectively. Proliferation and morphology of SMCs as well as expression of contractile proteins and collagen synthesizing by SMCs were assayed to study the simultaneous effects of ligand density and stiffness of the substrates on the phenotypic plasticity of SMCs. Results indicated that although the substrate with both higher ligand density and lower stiffness could enhance SMC contractility and reduce cell proliferation, the stiffness of the scaffold was dominant parameter in directing the contractile behavior of SMCs. Thereafter, electrospun TP(70)/gel(30) scaffold was chosen as the optimal scaffold for further investigation. Porosity, surface roughness, hydrophilicity and degradability were evaluated for electrospun TP(70)/gel(30) scaffolds. Blood compatibility of the scaffold was confirmed after hemolysis test and platelet adhesion assay which is due to hydrophilic structure of the scaffold as well as incorporation of TP as a blood compatible polymer within the composite fibers. A small diameter (~ 5 mm) tubular scaffold of TP(70)/gel(30) was also fabricated and its mechanical properties were measured which manifested its J-shaped stress-strain behavior similar to that of native arteries with values of compliance, burst strength and suture retention force comparable to those of native blood vessels. Keywords: vascular tissue engineering, nanofibrous scaffold, neural network modeling, smooth muscle cells, scaffold stiffness.

بیماری عروق کرونری قلب (CHD) تقریباً نیمی از تمام مرگ ها در کشورهای صنعتی و % 25 مرگ ها در کشورهای در حال توسعه را تشکیل می دهد. مهندسی بافت با رویکرد جایگزینی بافت از دست رفته با بافت مهندسی شده شبیه ساز بافت هدف، نوید بخش درمانی نوین و کارا برای بیماری عروق کرونری قلب می باشد. لازمه عملکرد موفق این روش در درمان بیماری CHD، ساخت داربستی با شرایط مطابق با ساختمان طبیعی شریان وکشت سلول های مناسب بر این داربست می‌باشد. با توجه به ساختار فیبریلی جدار عروق، داربست های نانولیفی گزینه مناسبی در مهندسی بافت عروق به حساب می آیند. از مهم ترین عوامل مکانیکی مهم و اثرگذار بر موفقیت فرایند مهندسی بافت می توان به مدول الاستیک داربست مورد استفاده اشاره نمود. از یک سو نزدیکی مدول الاستیک داربست به مدول الاستیک بافت هدف، ضامن عملکرد مکانیکی بافت در حال بازسازی در مواجهه با نیروها و تنش های اعمالی است و از سویی دیگر، مدول الاستیک با اثرگذاری بر رفتار سلول های عضلانی صاف می تواند در تشکیل یک بافت مهندسی شده با عملکرد مطلوب، مؤثر واقع شود. حفظ رفتار انقباضی این سلول ها عامل مهمی در موفقیت فرایند مهندسی بافت عروق خونی محسوب می شود. در این رساله، به منظور تولید داربستی با خواص مکانیکی و زیستی مناسب مهندسی بافت عروق خونی، الکتروریسی مخلوط دو پلیمر پلی یورتان (Tecophilic (TP)) و ژلاتین در دستور کار قرار گرفت. بررسی اثر سفتی داربست بر رفتار سلول های عضلانی صاف مستلزم در اختیار داشتن داربست های TP/ژلاتین با مدول های الاستیک مختلف می باشد. به منظور تولید داربست هایی به تعداد محدود و با محدوده متنوعی از مدول های الاستیک، لازم است مهم ترین عامل اثرگذار بر مدول الاستیک به عنوان عامل متغیر در تولید داربست های TP/ژلاتین شناخته شود. تجزیه و تحلیل اثرات غیر خطی عواملی همچون نسبت ترکیب دو پلیمر، قطر الیاف و آرایش یافتگی داربست بر مدول الاستیک داربست به کمک مدل‌سازی شبکه عصبی و برای داربست های الکتروریسی پلی کاپرولاکتون/ژلاتین صورت پذیرفت. انتخاب این ترکیب در مدل‌سازی به دلیل صرفه اقتصادی در کنار شباهت رفتار مکانیکی (رفتار الاستیک در دمای محیط و دمای بدن) پلی‌کاپرولاکتون به پلی یورتان می باشد. بر طبق نتایج حاصل از مدل شبکه عصبی، نسبت ترکیب دو پلیمر به عنوان مؤثرترین عامل در تعیین مدول الاستیک شناخته شد. پس از تولید داربست های TP/ژلاتین با نسبت های ترکیب 100/0، 70/30، 50/50 و 30/70، سفتی آن ها با استفاده از آزمایش کششی اندازه گیری گردید. تغییر نسبت ترکیب دو پلیمر سبب تغییر در میزان تراکم لیگاند موجود در داربست ها نیز می گردد. به همین دلیل میزان نسبی حضور لیگاندهای RGD در داربست ها نیز با طیف سنجی مادون قرمز مورد ارزیابی قرار گرفت. پس از آن رفتار سلول های عضلانی صاف شامل میزان تکثیر و شکل ظاهری آن ها، بیان پروتئین های انقباضی و میزان تولید کلاژن توسط این سلول‌ها روی داربست‌های TP/ژلاتین بررسی گردید. نتایج بیانگر افزایش خاصیت انقباضی سلول ها با کاهش سفتی داربست و افزایش تراکم لیگاند می باشد اما به دلیل اثرگذاری بیشتر سفتی داربست در مقایسه با تراکم لیگاند، سلول های عضلانی صاف بیشترین رفتار انقباضی را بر داربست TP/ژلاتین 70/30 نشان دادند. بنابراین، این داربست به عنوان داربست بهینه جهت تحقیقات تکمیلی انتخاب گردید. پس از بررسی تخلخل، زبری سطح، آب‌دوستی و تخریب پذیری داربست TP/ژلاتین 70/30 و حصول نتایج مطلوب، با ارزیابی میزان همولیز خون و نیز چسبندگی پلاکت ها بر سطح، خون سازگاری این داربست نیز مورد تأیید قرار گرفت. این خاصیت مهم ناشی از آب‌دوست بودن داربست در نتیجه حضور پلیمرهای آب‌دوست و نیز حضور پلیمر خون سازگار TP می باشد. علاوه بر این، داربست TP/ژلاتین 70/30 به شکل لوله ای و با قطر حدود mm 5 نیز تولید شد و خواص مکانیکی آن مورد سنجش قرار گرفت. نتایج بیانگر رفتار تنش-کرنش J شکل مشابه رفتار مکانیکی دیواره عروق طبیعی و حصول مقادیر compliance، استحکام ترکیدگی و نیروی حفظ بخیه قابل مقایسه با رگ های طبیعی می باشد. کلمات کلیدی : مهندسی بافت عروق خونی، داربست نانوالیاف، مدل‌سازی شبکه عصبی، سلول های عضلانی صاف، سفتی داربست.