SUPERVISOR
Mahshid Kharaziha-esfahani,Mohammad Dinari,Laleh Ghasemi Mobarakeh
مهشید خرازیهای اصفهانی (استاد مشاور) محمد دیناری (استاد مشاور) لاله قاسمی مبارکه (استاد راهنما)
STUDENT
Elham Shamirzaei jeshvaghani
الهام شامیرزایی جشوقانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Synthesis, characterization and fabrication of polycaprolactone fumarate/ polycaprolactone nanofibrous scaffold for cardiac tissue engineering
Today cardiovascular disease is the first cause of death around the world, especially in developed countries. Conventional heart failure therapies consist of medication or surgery and tralantation. But the issue that has been raised in this context is the shortage of donor. Myocardial infarction (MI) is the most common type of cardiovascular disease with high morbidity and mortality. Cardiac tissue engineering is a vital strategy aimed at improving cell therapy for heart regeneration. It involves application of a series biomaterials designed for facilitating cell delivery and supporting cell functions after tralantation, thus enhancing the regenerative capacity. Moreover, seeding cardiac cells into biomaterials can be used to fabricate engineered heart patch and provide a therapy for regeneration of infarcted myocardium. According to anisotropic and nonlinear elasticity of heart muscles, an elastic polymer is required for fabrication of scaffolds in cardiac tissue engineering to obtain a scaffold with similar mechanical properties of heart muscle and provide support during beating heart. In this study, poly caprolacton fumarate (PCLF) (an elastic polymer) was synthesized for fabrication of scaffolds. Fourier transform infrared (FTIR), Gel permeation chromatography ( GPC ) and Differential scanning calorimetry (DSC) analysis were used for characterization of the synthesized PCLF. As electrospinning of PCLF is impossible alone, poly caprolactone (PCL) was blended with PCLF and electrospinning was carried out. Different ratios of PCLF/ PCL and different polymer solution concentrations were examined and an optimum solution was selected for electrospinning of final scaffolds. Nano fibrous scaffold were cross linked with different methods such as chemical and photo crosslink. At the first, we used in situ photo crosslinking during electrospinning, but our results showed that crosslinking did not occur which is likely due to fast solidification of solution jet during electrospinning and limited chain mobility in solid state. Other methods such as heating along with ultraviolet light, exposure of electrospun mat to solvent steam and in situ photo crosslinking during wet electrospinning were also tested. Finally, in situ photo crosslinking during wet electrospinning was selected as the best method to provide an electrospun mat with noticeable crosslinking degree. Degree of crosslinking was measured with swelling test and calculation of degree of conversion (DC %) and properties of nano fibrous scaffolds were evaluated using field emission scanning electron microscopy (FE- SEM ), DSC, X-ray diffraction, XRD, contact angle measurement, biodegradation test, tensile measurement and dynamic mechanical analysis (DMA). Morphology and average diameter of nanofiber were studied by FE-SEM and our results showed that fiber diameter significantly decrease during the wet electrospinning compared to conventional electrospinning. Results of swelling and DC% tests showed that crosslinking of final nanofibrous mat has been occurred successfully with high crosslinking degree of 80%. Result of contact angle showed that PCLF/PCL scaffolds are hydrophilic. Moreover, mechanical analysis showed that the scaffolds have 100% elongation capability, while the amount of elongation for native heart tissue at the end of diastole in the longitudinal direction and radially direction is 59.2% and 22.9% respectively. No significant difference in storage modulus and loss modulus of scaffolds was observed with increasing of frequency in the range of physiological frequency of heart (0.6-2Hz) indicating the scaffolds can be stable in biomechanical conditions. It can be concluded that PCLF/PCL nanofibrous scaffolds fabricated in this study can provide a suitable substrate for myocardial regeneration. Key words: Cardiac tissue engineering, Poly caprolacton fumarate, Nanofiber, Crosslinking, Dynamic mechanical analysis
لاستیک غیر خطی و غیر ایزوتروپیک ماهیچه قلب، پلیمر مورد استفاده در ساخت داربست قلبی باید دارای ساختار الاستیک باشد تا بتواند در مقابل نیروهای سیکلی که از سمت قلب به آن وارد می¬شود، مقاومت کند. با توجه به خواص پلی کاپرولاکتون فومارات (PCLF)، برای این پژوهش این پلیمر انتخاب و سنتزگردید. پلی کاپرولاکتون فومارات از واکنش پلی کاپرولاکتون دی اُل و فوماریل کلراید در حضور کاتالیست پتاسیم کربنات با نسبت مولی 2/1:1:1 و در طی یک واکنش تراکمی 12 ساعته و در دمای ?50 سنتز گردید. بعد از سنتز این پلیمر آزمون¬های مختلفی از جمله طیف سنجی مادون قرمز (FTIR)، کروماتوگرافی ژل تراوا (GPC) و آزمون گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) برای مشخصه یابی پلیمر سنتز شده انجام شد. نتایج آزمون کروماتوگرافی نفوذ ژل نشان داد که پلیمر سنتز شده دارای وزن مولکولی عددی 13284 بوده است. سپس به منظور تولید داربست نانو الیاف مناسب به منظور مهندسی بافت قلب، این پلیمر به صورت مخلوط با پلی کاپرولاکتون (به دلیل عدم قابلیت الکتروریسی PCLF به دلیل وزن مولکولی پایین) الکتروریسی شد. در نهایت داربست نهایی با نسبت 30 /70 (وزنی-وزنی) از پلی کاپرولاکتون فومارات/ پلی کاپرولاکتون تولید گردید. مهم¬ترین قسمت این پژوهش، کراس لینک کردن داربست تولید شده، در فاز جامد بود. برای این امر روش¬های مختلفی مثل حرارت دهی، قراردهی در معرض بخار حلال، روش غوطه¬وری وکراس لینک درجای نوری امتحان شد، تا در نهایت به کمک روش ترالکتروریسی همزمان با نور UV موفق به کراس لینک نانو الیاف شده و خواص مکانیکی مطلوب (ازدیاد طول بالا) حاصل گردید. به منظور بررسی میزان کراس لینک آزمون¬های مختلفی از جمله محاسبه درجه تبدیل پیوندهای دوگانه(%DC) به کمک طیف سنجی مادون قرمز، محاسبه میزان تورم و محاسبه میزان ژل شدگی انجام شد. نتایج نشان داد که حدود 80 درصد از پیوندهای دوگانه کربن-کربن در واکنش کراس لینک شرکت کرده¬اند. آزمون¬های مختلفی به منظور بررسی خواص داربست تهیه شده انجام گردید، که از مهم ترین آنها آزمون زاویه تماس به منظور بررسی آبدوستی داربست، آزمون تخریب پذیری، آزمون استحکام کششی و آزمون دینامیک مکانیکی می¬باشد. نتایج آزمون زاویه تماس نشان داده که داربست تهیه شده دارای زاویه تماس استاتیک°19/15 می¬باشد. نتایج آزمون مکانیکی قابلیت ازدیاد طول داربست تا بیش از 100درصد را تأیید کرد، در حالی که میزان ازدیاد طول برای بافت قلب در انتهای دیاستول در راستای طولی 9/22 درصد و در راستای شعاعی 2/59 درصد می¬باشد. نتایج آزمون زیست تخریب پذیری نشان داد که در طول 4 هفته تنها 15 درصد کاهش وزن در نمونه رخ داده است. نتایج آزمون دینامیک مکانیکی نیز نشان داد که در فرکانس¬های فیزیولوژیکی مربوط به فعالیت قلب، با افزایش فرکانس تفاوت چشمگیری در مدول ذخیره و مدول اتلاف داربست مشاهده نمی¬شود و از نظر بیومکانیکی پایدار می¬باشد. نتایج بدست آمده از این پژوهش، امکان تقلید از خواص مکانیکی بافت طبیعی قلب را توسط داربست تهیه شده، تأیید کرد. کلمات کلیدی: مهندسی بافت قلب، پلی کاپرولاکتون فومارات، نانوالیاف، کراس لینک،آزمون دینامیک مکانیکی