نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 کارشناسی ارشد، مهندسی پزشکی گرایش بیومکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

3 دانشیار، دانشکده فناوری‌های نوین پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران

10.22041/ijbme.2017.73272.1282

چکیده

مهندسی بافت، به‌عنوان روشی مناسب برای جایگزین کردن روش­های درمانی فعلی گرفتگی و تصلب شراین کرونری شناخته می‌شود. چالش­های اصلی در مسیر مهندسی رگ­های کارآمد به کمک علم مهندسی بافت، انتخاب بیومواد و طراحی ساختار مناسب برای داربست هستند. در مطالعات اخیر نشان داده شده است که هیدروژل­های آلژینات حاوی برخی از پروتئین­ها مانند فیبروئین، شرایط بسیار مناسبی برای چسبندگی سلولی، فعالیت­های سلولی، گسترش و رشد سلول­های دیواره عروق خونی از خود نشان­ می­دهند. هدف این مطالعه، بررسی قابلیت مکانیکی این هیدروژل­ها و امکان بهبود خواص مکانیکی آن­ها با تغییر ساختار شیمایی و فرآیند سنتز، برای استفاده به‌عنوان داربست­ مهندسی بافت رگ است. در این پژوهش، پارامتر‌های مکانیکی مختلف هیدروژل­های آلژینات حاوی پروتئین فیبروئین، از جمله مدول کشسانی ناحیة خطی، کرنش و تنش تسلیم و قابلیت تورم داربست­های ساخته‌شده با این هیدروژل­ها، بررسی شده‌اند. تمام پارامتر­های ذکرشده از طریق انجام آزمون کشش تک‌محوره روی نمونه­های دمبل‌شکل و به کمک روابط تحلیلی مربوط به تنش و کرنش استوانه­های جدارضخیم، به‌دست آمده است. نتایج به‌دست‌آمده، با پارامتر­های مکانیکی متناظر دیوارة شریان­های کرونری مقایسه شده‌اند، تا ساختار و روش سنتز بهینه از بین نمونه­های آزمایش‌شده تعیین شود. نتایج این تحقیق نشان می­دهد که هیدروژل آلژینات/فیبروئین، در صورت اصلاح ساختار به‌وسیلة ترکیب با هیدروژل آکریل­آمید و تشکیل هیدروژل هیبرید و دوشبکه‌ای آلژینات/فیبروئین/پلی­آکریل­آمید با سنتز دومرحله­ای به‌وسیلة کاتیون­های آهن و کلسیم، شرایط مکانیکی بسیار مناسبی برای استفاده به‌عنوان داربست خواهد داشت. مدول کشسانی هیدروژل آلژینات-فیبروئین با افزودن پلی­آکریل­آمید، از حدود kPa 46 به kPa 100 و در صورت سنتز دومرحله‌ای، تا kPa 480 افزایش یافت. داربست ساخته‌شده با این هیدروژل، ازنظر پارامتر مکانیکی قابلیت تورم، شباهت بیشتری از رگ­های پیوندی تجاری موجود به شریان­های کرونری طبیعی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

An Experimental Study on Alginate-Fibroin Hydrogels Mechanical Capability as Scaffolds for Vascular Tissue Engineering

نویسندگان [English]

  • Mehdi Navidbakhsh 1
  • Mehdi Sajjadi 2
  • Simzar Hosseinzade 3

1 Professor, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

2 Master Student. School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

3 Associating Professor, School of Advanced Technologies in Medicine, Shahid Beheshti University of Medical Science, Tehran, Iran

چکیده [English]

Tissue engineering is a promising approach for developing viable alternative for current treatments of cardiovascular diseases such as autologous vessel and synthetic bypass graft transplantation. One of the major challenges in development of an applicable tissue engineered vessel is proper design of scaffold. Scaffolds are served to mimic the natural in vivo environment of cells where they interact and behave according to the mechanical cues obtained from the surrounding extracellular matrix. In recent studies alginate hydrogels containing silk fibroin protein have shown sufficient biological capability for vascular cells attachment, spreading, growth and metabolic activity. The purpose of this study was to evaluate the mechanical properties of mentioned hydrogels as scaffolds for vascular tissue engineering.  Elastic modulus of linear region, yield strain and stress and compliance of three types of Alginate based hydrogel with different synthesis procedures were obtained via uniaxial tensile test of dogbone shaped specimens and thick-wall cylinders stress-strain equations. Results were compared to find the optimal formulation and synthesis process for mimicing mechanical properties of native tissue. Results of this study shows that while the proposed formulation of alginate/fibroin hydrogel lacks required mechanical stiffness, flexibility and strength; hybrid dual-network hydrogels of alginate/fibroin/polyacrylamide with a two-steps synthesis process and cross-linked by Fe3+ and Ca2+ cations promote suitable mechanical properties to be used as vascular tissue engineering scaffolds. Adding polyacrylamide to alginate-firoin hydrogels increased its elastisity modulus from 46 kPa to 480 kPa with a two step gelation process which makes it more similar to arteries wall tissue mechanically.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Alginate Hydrogels
  • Vascular Tissue Engineering
  • Mechanical Properties of Hydrogels
  • Polyacrylamide

[1]     S. Pashneh-Tala, S. MacNeil, F. Claeyssens, The Tissue-Engineered Vascular Graft—Past, Present, and Future, Tissue Eng. Part B Rev., p. ten.teb.2015.0100, Oct. 2015.

[2]     B. Sarker et al., Evaluation of Fibroblasts Adhesion and Proliferation on Alginate-Gelatin Crosslinked Hydrogel, PLoS One, vol. 9, no. 9, p. e107952, Sep. 2014.

[3]     R. Singh et al., Evaluation of hydrogel matrices for vessel bioplotting: Vascular cell growth and viability, J. Biomed. Mater. Res. Part A, vol. 104, no. 3, pp. 577–585, Mar. 2016.

[4]     J. Schulte et al., A Novel Seeding and Conditioning Bioreactor for Vascular Tissue Engineering, Processes, vol. 2, no. 3, pp. 526–547, Jul. 2014.

[5]     E. Hernandez, O. Robles-Vazquez, I. Orozco-Avila, J. Sánchez-Díaz, An Overview of Mechanical Tests for Polymeric Biomaterial Scaffolds Used in Tissue Engineering, J. Res. Updat. Polym. Sci., vol. 4, no. 4, pp. 168–178, 2016.

[6]     J. Sun, X. Zhao, I. Xuanhe,R. K. Widusha, O. Chaudhuri,K Oh, “Highly stretchable and tough hydrogels,” Nature, vol. 489, no. 7414, pp. 133–136, Sep. 2012.

[7]     D. N. Rockwood, R. C. Preda, T. Yücel, X. Wang, M. L. Lovett, D. L. Kaplan, Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin, Nat. Protoc., vol. 6, no. 10, pp. 1612–1631, Sep. 2011.

[8]     G. E. McVeigh, A. J. Bank, J. N. Cohn, Arterial Compliance, in Cardiovascular Medicine, London: Springer London, 2007, pp. 1811–1831.

[9]     Z. Teng, D. Tang, J. Zheng, P. K. Woodard, and A. H. Hoffman, An experimental study on the ultimate strength of the adventitia and media of human atherosclerotic carotid arteries in circumferential and axial directions, J. Biomech., vol. 42, no. 15, pp. 2535–2539, Nov. 2009.

[10] G. Pedrizzetti K. Perktold, Eds., Cardiovascular Fluid Mechanics. Vienna: Springer Vienna, 2003.

[11] E. J. (Edwin J. Hearn, Mechanics of materials : an introduction to the mechanics of elastic and plastic deformation of solids and structural materials. 1. Butterworth-Heinemann, 1997.

[12] J. T. Dodge, B. G. Brown, E. L. Bolson, H. T. Dodge, Lumen diameter of normal human coronary arteries. Influence of age, sex, anatomic variation, and left ventricular hypertrophy or dilation., Circulation, vol. 86, no. 1, 1992.

[13] W. Trubel et al., “Compliance mismatch and formation of distal anastomotic intimal hyperplasia in externally stiffened and lumen-adapted venous grafts,” Eur. J. Vasc. Endovasc. Surg., vol. 10, no. 4, pp. 415–423, 1995.

[14] M. W. Weston, K. Rhee, J. M. Tarbell, Compliance and diameter mismatch affect the wall shear rate distribution near an end-to-end anastomosis., J. Biomech., vol. 29, no. 2, pp. 187–98, Feb. 1996.