بررسي تجربي قابليت مكانيكي هيدروژل هاي آلژينات/فيبرويين به‌عنوان داربست مهندسي بافت رگ هاي خوني

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

مهندسي بافت، به‌عنوان روشي مناسب براي جايگزين كردن روش هاي درماني فعلي گرفتگي و تصلب شراين كرونري شناخته مي‌شود. چالش هاي اصلي در مسير مهندسي رگ هاي كارآمد به كمك علم مهندسي بافت، انتخاب بيومواد و طراحي ساختار مناسب براي داربست هستند. در مطالعات اخير نشان داده شده است كه هيدروژل هاي آلژينات حاوي برخي از پروتيين ها مانند فيبرويين، شرايط بسيار مناسبي براي چسبندگي سلولي، فعاليت هاي سلولي، گسترش و رشد سلول هاي ديواره عروق خوني از خود نشان مي دهند. هدف اين مطالعه، بررسي قابليت مكانيكي اين هيدروژل ها و امكان بهبود خواص مكانيكي آن ها با تغيير ساختار شيمايي و فرآيند سنتز، براي استفاده به‌عنوان داربست مهندسي بافت رگ است. در اين پژوهش، پارامتر‌هاي مكانيكي مختلف هيدروژل هاي آلژينات حاوي پروتيين فيبرويين، از جمله مدول كشساني ناحيه خطي، كرنش و تنش تسليم و قابليت تورم داربست هاي ساخته‌شده با اين هيدروژل-ها، بررسي شده‌اند. تمام پارامتر هاي ذكرشده از طريق انجام آزمون كشش تك‌محوره روي نمونه هاي دمبل‌شكل و به كمك روابط تحليلي مربوط به تنش و كرنش استوانه هاي جدارضخيم، به‌دست آمده است. نتايج به‌دست‌آمده، با پارامتر هاي مكانيكي متناظر ديواره شريان هاي كرونري مقايسه شده‌اند، تا ساختار و روش سنتز بهينه از بين نمونه هاي آزمايش‌شده تعيين شود. نتايج اين تحقيق نشان مي دهد كه هيدروژل آلژينات/فيبرويين، در صورت اصلاح ساختار به‌وسيله تركيب با هيدروژل آكريل آميد و تشكيل هيدروژل هيبريد و دوشبكه‌اي آلژينات/فيبرويين/پلي آكريل آميد با سنتز دومرحله اي به‌وسيله كاتيون هاي آهن و كلسيم، شرايط مكانيكي بسيار مناسبي براي استفاده به‌عنوان داربست خواهد داشت. مدول كشساني هيدروژل آلژينات-فيبرويين با افزودن پلي آكريل آميد، از حدود kPa 46 به kPa 100 و در صورت سنتز دومرحله‌اي، تا kPa 480 افزايش يافت. داربست ساخته‌شده با اين هيدروژل، ازنظر پارامتر مكانيكي قابليت تورم، شباهت بيشتري از رگ هاي پيوندي تجاري موجود به شريان هاي كرونري طبيعي دارد.

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.