Wprowadzenie
Biologicznie rozkładalne materiały nietkane wykazały znaczny potencjał w dziedzinie inżynierii biomedycznej, zwłaszcza w zastosowaniach związanych z inżynierią tkankową. Celem inżynierii tkankowej jest ułatwienie regeneracji uszkodzonej tkanki poprzez połączenie komórek z tymczasowymi trójwymiarowymi strukturami podporowymi (rusztowaniami). Biodegradowalne rusztowania odgrywają kluczową rolę w tym procesie, zapewniając komórkom tymczasowe wsparcie strukturalne. Materiały włókninowe oparte na włóknach szczególnie dobrze nadają się do tego celu, ponieważ ich struktura przypominająca włókna jest zbliżona do naturalnej macierzy pozakomórkowej. Taka architektura zapewnia wysoką porowatość i dużą powierzchnię właściwą, sprzyjając w ten sposób adhezji, migracji i proliferacji komórek.
Polikaprolakton (PCL) jest materiałem szeroko stosowanym w produkcji biodegradowalnych rusztowań na bazie włókien. PCL to półkrystaliczny, alifatyczny poliester charakteryzujący się dobrą biokompatybilnością, kontrolowaną i stosunkowo powolną degradacją hydrolityczną oraz dobrą przetwarzalnością. Do wytwarzania włóknin z PCL można wykorzystać elektroprzędzenie lub elektroprzędzenie ze stopu, co pozwala na precyzyjną kontrolę geometrii włókien, porowatości i właściwości mechanicznych.
Racki z PCL są często stosowane w inżynierii tkankowej struktur przenoszących obciążenia, takich jak ścięgna i mięśnie [1,2]. Istotną kwestią pojawiającą się w tym kontekście jest znaczne PełzaniePełzanie opisuje zależne od czasu i temperatury odkształcenie plastyczne pod wpływem stałej siły. Gdy stała siła jest przykładana do mieszanki gumowej, początkowe odkształcenie uzyskane w wyniku przyłożenia siły nie jest stałe. Odkształcenie będzie rosło wraz z upływem czasu.pełzanie wykazywane przez włókniste materiały nietkane poddane powtarzającym się odkształceniom. Mikrostruktura materiału (rysunek 1) prowadzi do powstania dodatkowych mechanizmów odkształcania. Pod wpływem sił zewnętrznych włókna mogą ulegać reorientacji i wyrównywaniu w kierunku przyłożonego obciążenia. Punkty styku między włóknami są podatne na pękanie. W ujęciu makroskopowym skutkuje to zwiększonym odkształceniem plastycznym lub pełzaniem w porównaniu z materiałami o gęstym upakowaniu. W przypadku implantacji włóknina jest wielokrotnie poddawana odkształceniom, na przykład w wyniku kurczenia się otaczającej tkanki mięśniowej.
Wraz ze wzrostem odkształcenia plastycznego włókniny istnieje ryzyko, że utraci ona kontakt z otaczającą tkanką z powodu poluzowania się. Dlatego też kluczowe znaczenie ma scharakteryzowanie tego dynamicznego zachowania implantów na bazie włókien w zakresie pełzania.
Pomiary wytrzymałości na rozciąganie oraz odkształcenia pełzającego i powrotu do stanu pierwotnego w włókninach PCL
Pomiary rozciągania oraz odkształcenia pełzającego przeprowadzono w temperaturze 37°C przy użyciu analizatora dynamicznej mechaniki (DMA) 303 firmy NETZSCH Eplexor® w trybie rozciągania. Z włóknin PCL pobrano prostokątne próbki o wymiarach 20 mm długości, 5 mm szerokości i 0,3 mm grubości (rysunek 2). Materiał scharakteryzowano wstępnie, przeprowadzając quasi-statyczne badanie rozciągania. Zastosowano prędkość wydłużania wynoszącą 0,5 %/s oraz NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie wstępne wynoszące 0,1 N. Wyniki badania rozciągania przedstawiono na rysunku 3. Obserwacje wskazują, że elastyczną zależność naprężenie–odkształcenie można zaobserwować do odkształcenia wynoszącego około 8 %.
Pomiary odkształcenia resztkowego po pełzaniu przeprowadzono w pięciu cyklach, przy czym w każdym cyklu stosowano stałe przemieszczenie wynoszące 5%. Wyniki tych pomiarów przedstawiono na rysunku 4. Odkształcenie resztkowe określono dla każdego cyklu pomiarowego pod koniec fazy odzyskiwania, jak pokazano na rysunku 5. Wyraźnie widać, że odkształcenie resztkowe jest najbardziej wyraźne po pierwszym cyklu, a następnie stopniowo maleje. Wyniki pomiarów wskazują na stały spadek odkształcenia resztkowego we wszystkich cyklach, co sugeruje zbliżanie się do wartości granicznej. Odkrycie to wskazuje, że obserwowane zachowanie pełzające można przypisać przede wszystkim reorganizacji strukturalnej w sieci włókien, a nie molekularnym mechanizmom lepkosprężystym lub lepkoplastycznym.
Wnioski
Stosowanie statycznych prób rozciągania jako dominującej metody charakteryzowania rusztowań na bazie włókien w inżynierii tkankowej pozostaje powszechną praktyką. Jednak po implantacji powtarzające się odkształcenia mogą prowadzić do makroskopowego pełzania spowodowanego reorganizacją sieci włókien. Efekt ten nie jest widoczny w statycznych próbach rozciągania. Wyniki próby rozciągania wskazują, że odkształcenie rzędu 5% mieści się w obszarze sprężystym. Jednak eksperymenty dotyczące odzysku po pełzaniu wykazały, że nawet przy takich poziomach odkształcenia występuje odkształcenie resztkowe. Dlatego też eksperymenty dotyczące odzysku po pełzaniu przeprowadzone przy użyciu urządzenia DMA 303 firmy NETZSCH Eplexor® dostarczają ważnych informacji na temat zachowania mechanicznego rusztowań na bazie włókien pod obciążeniem dynamicznym.