Εισαγωγή
Τα βιοαποικοδομήσιμα μη υφασμένα υλικά έχουν δείξει σημαντικές δυνατότητες στον τομέα της βιοϊατρικής μηχανικής, ιδίως στην εφαρμογή της μηχανικής ιστών. Στόχος της μηχανικής ιστών είναι να διευκολύνει την αναγέννηση του κατεστραμμένου ιστού μέσω της ενσωμάτωσης κυττάρων σε προσωρινές τρισδιάστατες δομές στήριξης (υποστηρικτικά πλέγματα). Τα βιοαποικοδομήσιμα σκαφολδιά διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία, παρέχοντας προσωρινή δομική στήριξη στα κύτταρα. Τα μη υφασμένα υλικά με βάση ίνες είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για τον σκοπό αυτό, καθώς η ινώδης δομή τους μοιάζει με τη φυσική εξωκυτταρική μήτρα. Αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει υψηλό πορώδες και μεγάλη ειδική επιφάνεια, προωθώντας έτσι την προσκόλληση, τη μετανάστευση και τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων.
Η πολυκαπρολακτόνη (PCL) είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό στην κατασκευή βιοδιασπώμενων σκαφολδίων με βάση ίνες. Η PCL είναι ένας ημικρυσταλλικός, αλειφατικός πολυεστέρας που χαρακτηρίζεται από την καλή βιοσυμβατότητά της, την ελεγχόμενη και συγκριτικά αργή υδρολυτική αποικοδόμησή της και την καλή επεξεργασιμότητά της. Η ηλεκτροκλώση ή η ηλεκτροκλώση τήγματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή μη υφασμένων υφασμάτων από ίνες PCL, με αποτέλεσμα τον ακριβή έλεγχο της γεωμετρίας, του πορώδους και των μηχανικών ιδιοτήτων των ινών.
Τα υποστρώματα PCL χρησιμοποιούνται συχνά στη μηχανική ιστών για τη δημιουργία φορέων φορτίου, όπως τένοντες και μύες [1,2]. Ένα αξιοσημείωτο ζήτημα που προκύπτει σε αυτό το πλαίσιο είναι η σημαντική συμπεριφορά ερπυσμού που επιδεικνύουν τα μη υφασμένα υλικά από ίνες όταν υποβάλλονται σε επαναλαμβανόμενες παραμορφώσεις. Η μικροδομή του υλικού (Εικόνα 1) οδηγεί σε πρόσθετους μηχανισμούς παραμόρφωσης. Όταν υποβάλλονται σε εξωτερικές δυνάμεις, οι ίνες ενδέχεται να υποστούν αναπροσανατολισμό και ευθυγράμμιση προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου φορτίου. Τα σημεία επαφής μεταξύ των ινών είναι επιρρεπή σε ρήξη. Σε μακροσκοπικό επίπεδο, αυτό έχει ως αποτέλεσμα αυξημένη πλαστική παραμόρφωση ή ερπυσμό σε σύγκριση με υλικά πυκνής συσκευασίας. Σε ένα σενάριο εμφύτευσης, το μη υφασμένο υλικό υποβάλλεται επανειλημμένα σε παραμόρφωση, για παράδειγμα, μέσω της συστολής του περιβάλλοντος μυϊκού ιστού.
Καθώς αυξάνεται η πλαστική παραμόρφωση του μη υφασμένου υλικού, υπάρχει κίνδυνος να χάσει την επαφή με τον περιβάλλοντα ιστό λόγω χαλάρωσης. Ως εκ τούτου, είναι ζωτικής σημασίας να χαρακτηριστεί αυτή η δυναμική συμπεριφορά ερπυσμού των εμφυτευμάτων με βάση ίνες.
Μετρήσεις εφελκυσμού και ανάκαμψης από ερπυσμό σε μη υφασμένα υλικά από PCL
Οι μετρήσεις εφελκυσμού και ανάκτησης μετά από ερπυσμό πραγματοποιήθηκαν στους 37 °C χρησιμοποιώντας το DMA 303 της NETZSCH Eplexor® , σε λειτουργία εφελκυσμού. Από τα μη υφασμένα υλικά PCL ελήφθησαν ορθογώνια δείγματα διαστάσεων 20 mm μήκους, 5 mm πλάτους και 0,3 mm πάχους (Εικόνα 2). Το υλικό χαρακτηρίστηκε αρχικά με τη διεξαγωγή μιας οιονεί στατικής δοκιμής εφελκυσμού. Εφαρμόστηκε ρυθμός επιμήκυνσης 0,5 %/s και προφόρτιση 0,1 N. Τα αποτελέσματα της δοκιμής εφελκυσμού παρουσιάζονται στο Σχήμα 3. Οι παρατηρήσεις υποδηλώνουν ότι μπορεί να προσδιοριστεί μια ελαστική σχέση τάσης-παραμόρφωσης έως μια παραμόρφωση περίπου 8 %.
Οι μετρήσεις ανάκτησης μετά από ερπυσμό πραγματοποιήθηκαν σε πέντε κύκλους, με σταθερή μετατόπιση 5% σε κάθε κύκλο. Τα αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Η υπολειμματική παραμόρφωση προσδιορίστηκε για κάθε κύκλο μέτρησης στο τέλος της φάσης ανάκτησης, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 5. Είναι προφανές ότι η υπολειμματική παραμόρφωση είναι πιο έντονη μετά τον αρχικό κύκλο και στη συνέχεια συνεχίζει να μειώνεται. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων δείχνουν μια σταθερή μείωση της υπολειμματικής παραμόρφωσης σε όλους τους κύκλους, υποδηλώνοντας μια προσέγγιση προς μια οριακή τιμή. Το εύρημα αυτό υποδεικνύει ότι η παρατηρούμενη συμπεριφορά ερπυσμού μπορεί να αποδοθεί κυρίως στη δομική αναδιοργάνωση εντός του δικτύου ινών και όχι σε μοριακούς ιξωδοελαστικούς ή ιξωδοπλαστικούς μηχανισμούς.
Συμπέρασμα
Η εφαρμογή στατικών δοκιμών εφελκυσμού ως κύρια μέθοδος για τον χαρακτηρισμό των ικριωμάτων με βάση ίνες στη βιοτεχνολογία ιστών παραμένει μια ευρέως διαδεδομένη πρακτική. Ωστόσο, μετά την εμφύτευση, οι επαναλαμβανόμενες παραμορφώσεις μπορούν να οδηγήσουν σε μακροσκοπική ερπυσμό λόγω της αναδιοργάνωσης του δικτύου ινών. Το φαινόμενο αυτό δεν είναι εμφανές στις στατικές δοκιμές εφελκυσμού. Τα αποτελέσματα της δοκιμής εφελκυσμού δείχνουν ότι μια παραμόρφωση 5% εμπίπτει στην ελαστική περιοχή. Ωστόσο, πειράματα ανάκτησης μετά από ερπυσμό έχουν δείξει ότι παραμένει υπολειμματική παραμόρφωση ακόμη και σε αυτά τα επίπεδα παραμόρφωσης. Ως εκ τούτου, τα πειράματα ανάκτησης μετά από ερπυσμό με το σύστημα δυναμικής μηχανικής ανάλυσης ( NETZSCH ) DMA 303 Eplexor® παρέχουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη μηχανική συμπεριφορά των ικριωμάτων με βάση ίνες υπό δυναμικό φορτίο.