Skip to main content
SUPERVISOR
محمدرضا سلیم پور (استاد راهنما) محمدرضا توکلی نژاد (استاد راهنما) انوشه زرگر خرازی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammadsadegh Bokaei Jazi
محمدصادق بکائی جزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
Vascular bypass grafts smaller than 6 mm in inner diameter have faced serious constraints due to the limited number of applicable blood vessels in patient's body and incompatibility on the mechanical properties of artificial vessels with small native vessels. A new alternative method to overcome this limitation is tissue engineered blood vessels (TEBV) and the manufacture of tissue engineered scaffolds (TES). In this study, in order to determine the mechanical properties of TES and provide a method for predicting their behavior, a test is performed to measure the scaffold’s outer diameter due to change in the fluid pressure in a bioreactor. We test five similar TES samples and the results are examined individually. For the first, second and third samples, the performance of the bioreactor is evaluated. In addition, bioreactor’s design flaws are resolved. According to the change of fluid pressure, the scaffold’s outer diameter of 4th and 5th samples is measured. The experimental resultillustrate that the change of scaffold’s outer diameter at low pressures is more remarkable than that at high pressures (86% of the change in scaffold’s outer diameter is related to the outlet pressure of 0 to 60 mmHg while only 14% of this change is related to the outlet pressure of 60 to 120 mmHg.). It is also observed that all samples in the pressure range of 120 to 160 mmHg axially rupture at inlet or outlet sections. Anisotropic structural model is chosen based on experimental results to predict the scaffold’s wall behavior and analyze the governing equations of this model with simple assumptions. Material models for TES are determined using curve fitting method on the experimental results and the governing equations which are obtained from the analytical solution. Eventually by using material models, fluid-solid interaction model for TES based on experimental conditions and assumption of incompressible steady state flow was chosen.The numericalresults are validatedwith theexperimentaldata and a good agreement is observed (maximum error of 5%). The simulation results show that, if material models are calculated for TES, it is possible to predict the behavior of scaffold’s wall by using this model. Also, simulation and experiment results indicate that the manufacture of TES should be based on the dimensions of artery which is excised from the real tissue. In order to allow the cells that seeded onto TES to receive the wall shear stress similar to coronary arteries, a fluid with shear-thinning properties resembling to blood should be used instead of distilled water in bioreactor. Keywords: Tissue engineered scaffold, Bioreactor, Fluid-solid interaction simulation, Anisotropic structural model, Holzapfel
پیوندهای بای‌پس [1] برای رگ‌های با قطر داخلی کمتر از شش میلی‌متر، به علت تعداد محدود رگ طبیعی مناسب در بدن بیمار و عدم تطابق خواص مکانیکی رگ‌های مصنوعی با عروق طبیعی کوچک، با محدودیت‌های جدی مواجه است. یک روش جایگزین جدید برای بر طرف کردن این محدودیت، مهندسی بافت عروق خونی [2] و تولید داربست‌های مهندسی‌شده بافت [3] جهت جایگزینی با عروق کوچک است. در پژوهش حاضر در راستای بررسی خواص مکانیکی این نوع داربست‌ها و ارائه راهکاری برای پیش‌بینی رفتار آن‌ها، آزمایشی جهت اندازه‌گیری قطر خارجی داربست بر اثر تغییرات فشار جریان سیال در دستگاه بایوراکتور انجام می‌شود. پنج نمونه داربست مهندسی‌شده بافت مشابه، مورد آزمایش قرار می‌گیرند و نتایج هر یک به صورت جداگانه بررسی می‌شود. در نمونه‌های اول، دوم و سوم عملکرد بایوراکتور مورد ارزیابی قرار گرفته می‌شود و نقایص آن بر طرف می‌شود. در نمونه‌های چهارم و پنجم میزان تغییرات قطر خارجی داربست بر اساس فشار جریان سیال اندازه‌گیری می‌شود. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که میزان تغییرات قطر خارجی داربست در فشارهای پایین بسیار بیشتر از میزان این تغییرات در فشارهای بالا (86 درصد تغییرات قطر خارجی داربست مربوط به فشار خروجی جریان 0 تا 60 میلی‌متر جیوه و 14 درصد این تغییرات مربوط به فشار خروجی 60 تا 120 میلی‌متر جیوه می‌شود.) است. هم‌چنین مشاهده می‌شود که تمامی نمونه‌ها در محدوده فشاری 120 تا 160 میلی‌متر جیوه دچار پارگی محوری در قسمت‌های ورودی یا خروجی می‌شوند. با توجه به نتایج تجربی بدست آمده از داربست استفاده شده در این پژوهش، مدل ساختاری غیر ایزوتروپیک برای پیش‌بینی رفتار دیواره داربست انتخاب و به حل تحلیلی معادلات این مدل با کمک فرض‌های ساده‌کننده پرداخته می‌شود. سپس با کمک برازش منحنی بر روی نتایج تجربی و معادلات بدست آمده از حل تحلیلی، ضرایب مواد مدل ساختاری غیرایزوتروپیک هلزاپفل برای داربست این پژوهش محاسبه می‌شود. در انتها با استفاده از ضرایب مواد بدست آمده به شبیه‌سازی برهم‌کنش جامد و سیال در داخل داربست بر اساس شرایط آزمایشگاهی و با فرض جریان پایا و تراکم‌ناپذیر پرداخته می‌شود. اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی با کمک نتایج حاصل از آزمایش‌ها انجام شده است که مطابقت خوبی با نتایج تجربی (حداکثر خطا پنج درصد) دارد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در صورت محاسبه ضرایب مواد مدل هلزاپفل برای داربست، امکان پیش‌بینی رفتار دیواره داربست با کمک این مدل و شرایط داخل جریان وجود خواهد داشت. هم‌چنین نتایج شبیه‌سازی و آزمایش‌های انجام شده نشان می‌دهد که ساخت داربست‌ها باید بر اساس ابعاد عروق طبیعی در حالت بدون تنش و زمانی که عروق تحت تاثیر جریان خون در داخل بدن قرار ندارند، انجام پذیرد. بررسی تنش‌های برشی بدست آمده از نتایج شبیه‌سازی روی دیواره داربست نشان می‌دهد که برای آنکه سلول‌های کاشته شده روی داربست بتوانند تنش برشی مطابق با عروق کرونری را در بایوراکتور دریافت کنند باید از سیالی با لزجت مشابه خون به جای آب مقطر در بایوراکتور استفاده شود. وازگان کلیدی : داربست مهندسی‌شده بافت، بایوراکتور، شبیه‌سازی برهم‌کنش جامد و سیال، مدل ساختاری غیر ایزوتروپیک، هلزاپفل [1] . Bypass [2] . Tissue Engineered Blood Vessels (TEBV) [3] . Tissue-engineered Scaffolds

ارتقاء امنیت وب با وف بومی