Development and evaluation of electrospun vascular prostheses

Abstract

Insbesondere für den Ersatz kleinlumiger Gefäße müssen optimale, synthetische, biokompatible und vom Körper abbaubare Gefäßprothese mit guten Festigkeitswerten und genügender Porosität noch gefunden werden. Neben zahlreichen anderen relevanten Parametern sollte dabei eine größere Porengröße der Gefäßprothese eine bessere Zell-Proliferation und einen erhöhten Stoffwechsel ermöglichen.Elektrospinnen stellt eine vielversprechende Fertigungsmethode für die Herstellung synthetischer Gefäßprothesen mit Strukturen und Dimensionen ähnlich wie von physiologischen Gefäßen dar. Faserdurchmesser im Bereich von Nano- bis Mikrometer können hierdurch hergestellt werden.In einer vorigen Studie wurde ein biologisch abbaubares Polyurethan (TPU), das von der Technischen Universität Wien entwickelt wurde, elektrogesponnen und in vivo getestet. Hierbei wurde Remodellierung beobachtet, das heißt, Zellen konnten in die Poren der Gefäßprothese vordringen und haben dort begonnen eine neue extrazelluläre Matrix zu formen, während das Polyurethan abgebaut wurde [Bergmeister, 2015]. Ein zweites vor kurzem neues thermoplastische Polyurethan-Urea, TPUU, das von der Technischen Universität Wien entwickelt wurde, verspricht noch bessere Festigkeitswerte. Ziel dieser Diplomarbeit war es, eine Gefäßprothese aus beiden Polyurethanen mit größeren Faserdurchmessern und einer damit einhergehenden vergrößerten Porengröße herzustellen, um bessere Zellenmigration zu erreichen. In dieser Diplomarbeit wurden beide Polyurethane mit unterschiedlichen Konzentrationen in Chloroform aufgelöst. Die Folgen in Hinblick auf die Verarbeitbarkeit beim Elektrospinnen und auf die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften der vaskulären Prothese wurden untersucht. Der Faserdurchmesser wurde mit Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen und Bildverarbeitungsmethoden bestimmt. Um die Degradation zu untersuchen, wurden die elektrogesponnenen Proben in eine phosphatgepufferte Salzlösung bei 37°C gelegt und zu verschiedenen Zeitpunkten wurden mechanische Tests und Gewichtsmessungen durchgeführt.Von allen getesteten Materialien dieser Studie zeigte TPUU bessere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu TPU. Eine signifikante Massendegradation durch die Einlagerung der Proben in der phosphatgepufferten Salzlösung wurde weder zu 7 Tagen noch zu 30 Tagen beobachtet. Die Proben, die bereits für die späteren Zeitpunkte (bis zu einem Jahr) im Rahmen dieser Diplomarbeit hergestellt wurden, konnten bis zum Abschluss dieser Diplomarbeit noch nicht untersucht werden. Auf Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen wurden erste abgebaute Fasern nach 7 und 30 Tagen gesehen. Durch Änderung des Lösungsmittels und der dabei verwendeten TPU-Konzentration konnte der Faserdurchmesser bis zum 6-fachen auf über 9 μm vergrößert werden. Insgesamt konnte durch die Änderung des Spinnprozesses ein wesentlich größerer Faserdurchmesser für die verwendeten Polyurethane erzielt werden.

Especially for the application as small-lumen vascular grafts optimal synthetic biocompatible biodegradable vascular prostheses with sufficient mechanical properties and porosity for vascular surgery have yet to be found. Beside multiple other important parameters a sufficiently large pore size is supposed to enable better cell proliferation and nutrient transport.Electrospinning is a promising manufacturing method to produce synthetic vascular grafts with structures and size similar to physiological blood vessels. Fiber diameters in the range of nano- to micrometers can be fabricated this way. In a previous study a biodegradable thermoplastic polyurethane (TPU), developed by the Technical University of Vienna, was electrospun and tested in vivo. Hereby remodeling was observed, meaning cells were able to advance into the pores of the graft where they started forming a new extracellular matrix while the polyurethane degraded [Bergmeister, 2015].A recently new thermoplastic polyurethane-urea (TPUU), developed by the Technical University of Vienna promises better mechanical properties.The aim of this diploma thesis was to fabricate a vascular graft out of both polyurethanes with larger fiber diameters and a resulting larger pore size to ensure better cell migration. In this thesis both polyurethanes were dissolved with different solvents. The consequences on the processability in regard to electrospinning and on the morphology and the mechanical properties of the vascular prosthesis were examined. The fiber diameter size was determined with scanning electron microscopy images and measured by image processing methods. Degradation was studied by placing the electrospun samples in a phosphate-buffered saline solution at 37°C and performing weight measurements and mechanical tests at different time points. Overall, out of all the materials tested in this study, TPUU showed better behavior regarding mechanical strength in comparison to TPU. A significant mass degradation was not observed after 7 and 30 days of incubation in a phosphate-buffered saline solution. The material samples already produced during this diploma thesis for the time points (up to 1 year) must be examined elsewhere. In micrographs of the TPU samples first impaired fibers were detected after 7 and 30 days. By changing the solvent, the mean fiber diameter of the TPU probes was increased by 6 times to 9 μm. In conclusion, the change to a new solvent in appropriate percentage led to a considerable increase in fiber diameter with the used polyurethanes.