Μελέτη νανομηχανικών ιδιοτήτων πολυμερικών ικριωμάτων για εφαρμογές στην καρδιοαγγειακή ανάπλαση

Abstract

Η ανάγκη για την αντιμετώπιση ιατρικών προβλημάτων του ανθρώπου που σχετίζονται με την ανεπάρκεια ή και τη μη σωστή λειτουργία ιστών και οργάνων, οδήγησε στην ανάγκη παραγωγής ιστών, με την οποία ασχολείται το πεδίο της Ιστικής Μηχανικής. Για την παραγωγή των ιστών απαραίτητη είναι η χρήση των ικριωμάτων, πάνω στα οποία αναπτύσσονται τα κύτταρα. Το ικρίωμα θα πρέπει να έχει συγκεκριμένες ιδιότητες όπως είναι για παράδειγμα η βιοσυμβατότητα και η βιοαποικοδομησιμότητα. Οι ιδιότητες των ικριωμάτων εξαρτώνται από το βιοϋλικό που θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή τους καθώς και από τα χαρακτηριστικά της κατασκευής τους, όπως είναι το πορώδες. Αυτές οι ιδιότητες επηρεάζουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων και τη διαμόρφωση του ιστού στη δομή του ικριώματος. Ο ιστός που αναπτύσσεται τελικά επηρεάζεται από τις μηχανικές ιδιότητες του ικριώματος όπου εναποτίθενται ο κυτταρικός πληθυσμός.

Στην εργασία αυτή μελετώνται οι νανομηχανικές ιδιότητες του ικριώματος το οποίο είναι κατασκευασμένο από το συμπολυμερές χιτοζάνης και πολυκαπρολακτόνης, και έχει δείξει αρχικές θετικές ενδείξεις για την ανάπτυξη ιστού του μυοκαρδίου. Για την καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων του μελετώνται παράλληλα και δισκία των πολυμερών χιτοζάνης και πολυκαπρολακτόνης. Παρουσιάζονται οι τιμές σκληρότητας και σύνθετου μέτρου ελαστικότητας των δειγμάτων καθώς επίσης μελετάται η χρονοεξαρτώμενη και ιξωδοελαστική συμπεριφορά τους. Στη συνέχεια στο δείγμα συμπολυμερούς όπως παράχθηκε και σε δείγματα του συμπολυμερούς τα οποία είχαν εμβαπτισθεί για 6 εβδομάδες σε ρυθμιστικό φωσφορικό διάλυμα, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές επαναλαμβανόμενων κύκλων φόρτισης που προσομοιάζουν τη δοκιμή κόπωσης και διαχωρίζουν την ιξώδη από την ελαστική και πλαστική παραμόρφωση. Έπειτα ακολούθησε εμβάπτιση του δείγματος του συμπολυμερούς και των πολυμερών σε θρεπτικό μέσο α-ΜΕΜ για 4 εβδομάδες, προσομοιάζοντας έτσι τον ανθρώπινο οργανισμό. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ανά συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα για τον υπολογισμό της σκληρότητας και του σύνθετου μέτρου ελαστικότητας, κατά τη διάρκεια αποδόμησης των υλικών. Το συμπολυμερές παρουσίασε απότομη μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων του από την αρχή της εμβάπτισης, πλησιάζοντας όμως έτσι, τις επιδιωκόμενες τιμές και παρουσίασε σταθερότητα υπό την επιβολή φορτίων.

Tissue loss or organ failure is a major health care problem which has resulted in the need of tissue replacement, which is the task of Tissue Engineering. For the production of tissue, the use of scaffolds is necessary, onto which the cells are grown. The scaffolds should have specific properties such as biocompatibility and biodegradability. The properties of the scaffolds depend on the biomaterial that is used for their production and the characteristics of their construction, such as their porosity. The cellular differentiation and the formation of the tissue which is developed on the scaffold are affected by the properties of the scaffold. Consequently, the tissue that eventually grows is affected by the mechanical properties of the scaffold on which cell population is seeded.

In the present thesis, the nanomechanical properties of innovative chitosan-grafted-poly(ε-caprolactone) scaffold, which has shown initial positive indications for the development of myocardial tissue, is studied. Meanwhile, the properties of chitosan and poly(ε-caprolactone) samples are studied in order to understand better the properties of the grafted copolymer. Hardness and reduced modulus of all samples are presented, as well as it is studied their time-dependent and viscous behavior. Then, additional experiments under different dynamic conditions for the grafted copolymer as synthesized and after submersion in phosphate buffer saline under static and stirring conditions for six weeks, were performed in order to mimic fatigue test, and separate the viscous response from the elastic and plastic deformation. Finally, the sample of grafted copolymer and the samples of chitosan and poly(ε-caprolactone) were submerged in a-MEM buffer for four weeks at 37oC and nanoindentation tests were performed in specific times, in order to estimate the values of hardness and reduced modulus during the degradation of the materials. In conclusion, the grafted copolymer presented a sharp decrease of its mechanical properties in the first hours of submersion, but after four weeks of degradation it revealed sufficient stability under mechanical stresses and elastic properties close to the intended ones.