SUPERVISOR
Laleh Ghasemi Mobarakeh,Mortaza Sadeghi,Mohammad Morshed
لاله قاسمی مبارکه (استاد راهنما) مرتضی صادقی (استاد مشاور) محمدآقا مرشد (استاد راهنما)
STUDENT
Elham sadat Jamadi
الهام سادات جمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Fabrication and evaluation of polyurethane-gelatin nanofibrous scaffolds for cardiac tissue engineering
Heart is a critical organ, composed of cardiac muscle, which is responsible for pumping blood throughout the blood vessels in the whole body. Heart disease is the leading cause of death and disability in both industrialized nations and the developing world, accounting for approximately 40% of all human mortality. Cardiac tissue engineering is one of the most promising strategies to reconstruct the infarct myocardium and the major challenge involves producing a bioactive scaffold with anisotropic properties that assist in cell guidance to mimic the heart tissue. According to anisotropic and nonlinear elasticity of heart muscles, elastic scaffolds with mechanical properties similar to heart muscle are important in cardiac tissue engineering to provide mechanical support to the heart throughout the beating processes. Polyester urethane (PEU) and polyester urethane urea (PEUU) were synthesized for fabrication of scaffolds in this study due to their biodegradability, elasticity and mechanical properties. Gelatin also was blended with PEU and PEUU for modification of hydrophilicity and biodegradability of resultant scaffolds. Solutions of PEU/gelatin and PEUU/gelatin with ratios of 100/0, 70/30 and 50/50 were electrospun to fabricate random nanofibrous scaffolds. Aligned PEU/gelatin and PEUU/gelatin nanofibrous scaffolds with ratios of 100/0 and 70/30 were also produced. Attenuated total re?ectance Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD) analysis were used for characterization of the synthesized PEU and PEUU and properties of nanofibrous scaffolds were evaluated using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), FTIR, contact angle measurement, biodegradation test, tensile measurements and dynamic mechanical analysis (DMA). Morphology and average diameter of nanofibrous scaffolds were studied by FE-SEM and showed that, fiber diameter significantly decreased, with increasing the concentration of gelatin in PEU/gelatin and PEUU/gelatin blend polymeric systems. Also no signi?cant differences in the diameter were observed for random compared to aligned nano?bers. FTIR spectra showed that there were no interaction between PEU and gelatin and also between PEUU and gelatin. Results of contact angle and degradation analysis indicated that by increasing of gelatin in the polymer blends, hydrophilicity and degradation of resultant nanofibrous scaffolds increased . Tensile strength analysis were performed in both wet and dry conditions revealed that, tensile strength and modulus decreased and elongation increased for nanofibrous scaffolds containing gelatin in wet condition. The tensile properties of aligned nanofibrous scaffolds in both parallel and perpendicular to the fiber direction was found to be significantly different and suggest that aligned nanofibrous scaffold, can achieve desirable anisotropic mechanical properties, which closely match the requirements of native cardiac anisotropy. Dynamic mechanical analysis showed that no significant differences were found in the storage and loss modulus of nanofibrous scaffolds by increasing frequency in the frequencies of the physiological activity of the heart. Storage modulus and loss modulus in different directions of aligned nanofibrous scaffolds were also different indicating anisotropic properties of the aligned nanofibrous scaffolds. Moreover, anisotropic properties of the aligned nanofibrous scaffolds were not changed, by increasing the temperature from 25 ?C (ambient temperature) to 37 ?C (body temperature). According to the results, aligned PEU/gelatin (70/30) and PEUU/gelatin (70/30) nanofibrous scaffolds were found to be more suitable substrate for cardiac tissue engineering due to their similarity to anisotropic mechanical properties of heart. Key Words: Cardiac tissue engineering, Elastomer, Polyurethane, Gelatin, Nanofiber, Anisotropy, Dynamic mechanical properties.
قلب اندامی مهم، متشکل از ماهیچه ی قلبی است که مسئول پمپاژ خون درون رگهای خونی در تمام بدن می باشد. بیماری های قلبی یک علت پیشتاز و عمده مرگ و ناتوانی در ملت های صنعتی و جهان توسعه یافته می باشد که تقریباً 40% مرگ و میر همه ی افراد بشر محاسبه شده است. روش های درمانی مختلفی برای سکته ی قلبی همچون دارو درمانی، پیوند قلب و سلول درمانی وجود دارد. در سالهای اخیر تحقیقات انجام شده نشان داده که تزریق سلول به محل بافت آسیب دیده قلب، در بازسازی ماهیچه آسیب دیده قلب تأثیر دارد. با این وجود عدم انتقال همه سلولهای تزریق شده به بافت آسیب دیده و مهاجرت آنها به قسمتهای اطراف از معایب این روش می باشد. این امر باعث سوق دادن گروههای مختلف تحقیقاتی به روشهایی از جمله مهندسی بافت گردیده است که نقاط ضعف روش تزریق سلولها به محل بافت آسیب دیده را از بین ببرد. مهندسی بافت قلب یکی از امیدوارکننده ترین استراتژی ها برای بازسازی ماهیچه ی قلب آسیب دیده می باشد و تلاش اصلی برای تولید کردن یک بستر بیوفعال با خصوصیات مناسب می باشد که ماتریکس خارج سلولی را در ساختار و عملکرد، تقلید کند. با توجه به بافت الاستیک غیر خطی و غیر ایزوتروپیک ماهیچه ی قلب و همچنین متحرک بودن آن، پلیمر مورد استفاده باید دارای ساختار الاستیک باشد تا بتواند هر گونه تنش از طرف ماهیچه ی قلب را تحمل کند. در این پژوهش از دو پلیمر سنتز شده ی پلی استر یورتان و پلی استر یورتان اوره به خاطر زیست تخریب پذیری، الاستیسیتی و خواص مکانیکی مطلوب و پلیمر طبیعی ژلاتین نوع A به خاطر ویژگی هایی همچون داشتن زیست تخریب پذیری، هیدروفیلی و فراهم کردن محیط مناسب برای رشد و تکثیر سلولی، استفاده شد. برای تعیین خصوصیات پلیمرها از آنالیزهای طیف سنجی ATR-FTIR، آنالیز DSC و آنالیز XRD استفاده گردید. سپس به منظور تولید داربست نانوالیاف مناسب به منظور مهندسی بافت قلب، 6 حالت مختلف در نظر گرفته شد و محلول هایی از پلیمرهای پلی استر یورتان و پلی استر یورتان اوره به تنهایی و سپس مخلوط با ژلاتین با نسبت وزنی 70/30 و 50/50 تهیه و الکتروریسی گردید. علاوه بر الکتروریسی نانوالیاف تصادفی، در 4 حالت مختلف نانوالیاف آرایش یافته نیز تولید گردید. آنالیزهای مختلفی به منظور بررسی خواص داربست های تهیه شده انجام شد، که از مهمترین آنها آنالیز زاویه تماس به منظور بررسی هیدروفیلی داربست، آنالیز تخریب پذیری، آنالیز استحکام کششی و آنالیز دینامیک مکانیکی می باشد. نتایج آنالیزهای زاویه تماس و تخریب پذیری نشان داد که با افزایش ژلاتین در مخلوط پلیمری آبدوستی و تخریب پذیری افزایش یافته است. آنالیز استحکام کششی در دو شرایط خشک و تر انجام گردید، و نتایج نشان داد که در شرایط تر نسبت به شرایط خشک برای داربست نانوالیاف حاوی ژلاتین استحکام کششی و مدول کاهش و ازدیاد طول افزایش یافته است. خواص استحکامی داربست نانوالیاف آرایش یافته در دو جهت موازی و عمود برجهت آرایش یافتگی الیاف، به طور معنی داری متفاوت بوده و بیانگر این است که با استفاده از داربست نانوالیاف آرایش یافته می توان خواص غیرایزوتروپیک مطلوب مورد نیاز برای مهندسی بافت قلب به منظور تقلید از بافت غیرایزوتروپیک ماهیچه قلب را به دست آورد. نتایج آنالیز دینامیک مکانیکی نشان دادکه در فرکانس های فیزیولوژیکی مربوط به فعالیت قلب، با افزایش فرکانس برای داربست های نانوالیاف تولید شده تفاوت چندانی در مدول ذخیره و اتلاف مشاهده نمی شود و از نظر بیومکانیکی پایدار می باشند. همچنین در دو جهت مختلف موازی و عمود بر جهت آرایش یافتگی الیاف، اعداد متفاوتی برای مدول ذخیره و مدول اتلاف وجود دارد. در نتیجه خواص غیرایزوتروپیک برای داربست نانوالیاف آرایش یافته با استفاده از آنالیز دینامیک مکانیکی هم نشان داده شد. همچنین با افزایش دما از C? 25 تا C? 37 که دمای طبیعی بدن می باشد، این خواص تغییر نکرده و با اینکه مدول ذخیره افزایش پیدا کرده است، در دو جهت متفاوت می باشد. مدول یانگ ماهیچه ی قلب انسان در پایان انبساط قلبیMPa 5/0-2/0 می باشد. مدول ذخیره به دست آمده در این پژوهش برای داربست های نانوالیاف آرایش یافته ی پلی استر یورتان/ژلاتین 70/30 و پلی استر یورتان اوره/ژلاتین 70/30 در دو جهت، نسبت به سایر داربست های نانوالیاف تولید شده، بیشتر با محدوده ی مدول قلب مطابقت داشته و به دلیل داشتن خواص غیرایزوتروپیک به نانوالیاف تصادفی ترجیح داده می شوند. در نهایت این نتیجه به دست می آید که هم در شرایط تر و هم در دمای C? 37، خواص غیرایزوتروپیک برای داربست نانوالیاف آرایش یافته حفظ می گردد و می توان به کمک این داربست ها به خواص غیرایزوتروپیک مورد نیاز به منظور تقلید از بافت طبیعی ماهیچه ی قلب رسید.