Введение
Биоразлагаемые нетканые материалы продемонстрировали значительный потенциал в области биомедицинской инженерии, в частности при применении в тканевой инженерии. Цель тканевой инженерии заключается в содействии регенерации поврежденных тканей путем интеграции клеток с временными трехмерными опорными структурами (скаффолдами). Биоразлагаемые скаффолды играют ключевую роль в этом процессе, обеспечивая клеткам временную структурную опору. Нетканые материалы на волокнистой основе особенно хорошо подходят для этой цели, поскольку их волокнистая структура напоминает естественный внеклеточный матрикс. Такая архитектура обеспечивает высокую пористость и большую удельную поверхность, что способствует адгезии, миграции и пролиферации клеток.
Поликапролактон (PCL) — широко используемый материал для изготовления разлагаемых волокнистых матриц. PCL представляет собой полукристаллический алифатический полиэстер, характеризующийся хорошей биосовместимостью, контролируемым и сравнительно медленным гидролитическим разложением, а также хорошей технологичностью. Для получения волокнистых нетканых материалов из PCL можно использовать электроформование или электроформование из расплава, что позволяет точно контролировать геометрию волокон, пористость и механические свойства.
Матрицы из PCL часто используются в тканевой инженерии для создания несущих структур, таких как сухожилия и мышцы [1,2]. В этом контексте возникает важная проблема, связанная со значительным ползучестью волокнистых нетканых материалов при воздействии повторяющихся деформаций. Микроструктура материала (рис. 1) приводит к появлению дополнительных механизмов деформации. Под действием внешних сил волокна могут переориентироваться и выравниваться в направлении приложенной нагрузки. Точки соприкосновения между волокнами подвержены разрыву. На макроуровне это приводит к усилению пластической деформации или ползучести по сравнению с плотно упакованными материалами. В условиях имплантации нетканый материал подвергается многократным деформациям, например, в результате сокращения окружающей мышечной ткани.
По мере увеличения пластической деформации нетканого материала возникает риск потери им контакта с окружающей тканью из-за ослабления. Поэтому крайне важно охарактеризовать это динамическое поведение волокнистых имплантатов при ползучести.
Измерение растяжимости и восстановления после ползучести нетканых материалов из поликарбоксил-лигнанта (PCL)
Измерения растяжения и восстановления после ползучести проводились при температуре 37 °C с использованием прибора DMA 303 компании « NETZSCH » ( Eplexor® ) в режиме растяжения. Из нетканых материалов на основе PCL были вырезаны прямоугольные образцы размером 20 мм в длину, 5 мм в ширину и 0,3 мм в толщину (рис. 2). Первоначально материал был охарактеризован с помощью квазистатического испытания на растяжение. Применялись скорость растяжения 0,5 %/с и предварительная нагрузка 0,1 Н. Результаты испытания на растяжение представлены на рис. 3. Полученные данные позволяют сделать вывод о наличии упругой зависимости «напряжение-деформация» в диапазоне деформаций до примерно 8 %.
Измерения восстановления после ползучести проводились в пяти циклах, причем в каждом цикле использовалось фиксированное смещение, равное 5 %. Результаты этих измерений представлены на рисунке 4. Остаточная деформация определялась для каждого цикла измерений в конце фазы восстановления, как показано на рисунке 5. Очевидно, что остаточная деформация наиболее выражена после начального цикла и впоследствии продолжает уменьшаться. Результаты измерений указывают на последовательное уменьшение остаточной деформации во всех циклах, что свидетельствует о приближении к предельному значению. Этот вывод указывает на то, что наблюдаемое поведение при ползучести можно в основном объяснить структурной реорганизацией внутри волокнистой сети, а не молекулярными вязкоупругими или вязкопластическими механизмами.
Заключение
Применение статических испытаний на растяжение в качестве основного метода определения характеристик волокнистых матриц в тканевой инженерии по-прежнему остается широко распространенной практикой. Однако после имплантации повторяющиеся деформации могут приводить к макроскопической ползучести вследствие реорганизации волокнистой сети. Этот эффект не проявляется при статических испытаниях на растяжение. Результаты испытания на растяжение показывают, что деформация 5 % находится в пределах упругой области. Однако эксперименты по восстановлению после ползучести продемонстрировали, что остаточная деформация возникает даже при таких уровнях деформации. Поэтому эксперименты по восстановлению после ползучести с использованием прибора DMA 303 компании « NETZSCH » Eplexor® предоставляют важную информацию о механическом поведении волокнистых матриц под динамической нагрузкой.