Study of the Hemocompatibility of Non-Woven Sub-Microfibrous Structures of Polyethylene Terephthalate (PET): Effect of Sub-Microfibres Diameter and Alignment

Small diameter blood vessels diseases are the leading cause of death in the United States and the
costs related are constantly growing. In the last years, bioengineering was applied to create a
synthetic small diameter vascular graft; but a fully successful one has not been developed yet.
Polyethylene terephthalate (PET) woven grafts have been used for large diameter vascular grafts,
but as small calibre grafts have demonstrated low patency due to the occlusion caused by
thrombogenic phenomena and myointimal hyperplasia. Previous studies report that PET nano and
microfibrous non-woven structures have suitable mechanical properties for vascular graft
application and are a suitable scaffold for endothelial cells growth.
In this dissertation, electrospinning will be used in order to produce non-woven structures
composed of sub-microfibers with various diameters and various fibre alignments. Their
thrombogenic behaviour will be tested in order to determine the best non-woven structure for
future developments.
Electrospun non-woven polyethylene terephthalate structures with different fibre diameters were
prepared by changing the process parameters, chiefly the polymer concentration in the
electrospinning solution and the feed rate. The average fibre diameter increased increasing the
polymer concentration in the solution and increasing the feed rate. The structures selected for
thrombogenicity tests were composed of fibres with a diameter of 259 ± 76nm, 388 ± 98nm and
1148 ± 446nm.
The orientation of the fibres was obtained by changing the rotational collector speed and
consequently the linear drum velocity between two values: 22.9 m/min and 114.7 m/min. The
orientation was estimated by visual analysis and image analysis of the scanning electron
microscope images taken at different magnifications and at different place of the electrospun
structure. With the visual analysis no prevalent orientation was remarked, but with the image
analysis a different alignment degree was noticed.
The thrombogenicity of the electrospun structures was tested by measuring the adhesion of
human platelets in a perfusion system that simulated small calibre fluid dynamics conditions.
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The effect of the fibre orientation on the thrombogenicity was assessed visually with a confocal
microscope, analyzing platelet shape and distribution after a fluorescent labelling. The structures
with supposed oriented fibres resulted in a higher thrombogenicity than the not-aligned
structures. For that reason, the oriented fibre electrospun non-woven structures were excluded
from following thrombogenic tests.
The thrombogenicity of the electrospun structures with different fibre diameter was compared
using a quantitative method for the calculation of the adherent platelet based on their radioactive
labelling. The relation between the fibre diameter and the platelet adhesion resulted linear: to a
diminution of the fibre diameter corresponds a diminution of the platelet deposition. Furthermore,
platelet adhesion on the structure composed of sub-microfibers with an average diameter of 259
nm was comparable to the platelet adhesion on the intact endothelium of an artery.

Résumé

Les maladies vasculaires, particulièrement celles associées aux vaisseaux sanguins de petit
diamètre, sont la première cause de décès aux États-Unis. Les coûts liés aux maladies cardiovasculaires
ont augmenté constamment avec le temps. Dans les dernières années, de nombreuses
recherches en bio-ingénierie ont été réalisé afin d'obtenir une prothèse vasculaire pour les
vaisseaux de petit diamètre, mais il n'y a pas encore de greffon qui a été développé et qui répond
totalement aux exigences. Pour le remplacement des vaisseaux de gros diamètre, des prothèses en
polyéthylène téréphtalate (PET) tissé ont été utilisées avec succès, mais elles n'ont pas pu être
utilisées pour les vaisseaux de petit calibre à cause du taux d'échec élevé causé par les
phénomènes thrombogéniques et l'hyperplasie myo-intimale. Les recherches effectuées
précédemment ont démontré que les structures nanofibreuses et microfibreuses en PET non-tissé
produites par le procédé d'électrofilage ont des propriétés mécaniques appropriées pour leur
application comme prothèse vasculaire et sont une matrice apte à la croissance des cellules
endothéliales.
Dans ce mémoire, l'électrofilage sera utilisée pour la production de structures non-tissées
composées de sub-microfibres de divers diamètres et de divers alignements. La thrombogénicité
de ces structures sera testée pour sélectionner laquelle est la moins thrombogéniques pour les
développements futurs.
Les structures électrofilées en PET non-tissé avec différents diamètres ont été préparées en
modifiant les paramètres d'électrofilage, principalement la concentration du polymère dans la
solution à électrofiler et le débit d'écoulement de la solution pendant le procédé. Le diamètre
moyen des fibres augmente avec la concentration du polymère et le débit d'écoulement. Les
structures sélectionnées pour les tests de thrombogénicité ont un diamètre moyen de 259 ± 76nm,
388 ± 98nm and 1148 ± 446nm.
L'orientation des fibres a été obtenue en changeant la vitesse de rotation du collecteur et par
conséquent, la vitesse linéaire du tambour entre deux valeurs : 22,9 m/min et 114,7 m/min.
L'orientation a été estimée par l'analyse visuelle et l'analyse avec un logiciel des images du
microscope électronique à balayage en divers endroits des structures et prises avec divers
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grossissements. Avec l'analyse visuelle aucune orientation prédominante n'a été remarquée, mais
l'analyse avec le logiciel a remarqué un différent degré d'alignement des fibres.
La thrombogénicité des structures électrofilées a été testée en analysant et mesurant l'adhésion
des plaquettes humaines dans un système de perfusion qui simulait les conditions dynamiques
des fluides dans les vaisseaux de petit diamètre.
L'effet de l'orientation des fibres sur la thrombogénicité a été évalué en analysant visuellement
avec un microscope confocal la forme et la distribution des plaquettes précédemment marquées
en fluorescence. Les structures avec une orientation présumée des fibres ont donné des résultats
de thrombogénicité majeure par rapport aux structures sans aucune orientation de fibres. Pour
cette raison, les structures électrofilées avec des fibres orientées ont été exclues pour les tests
suivants de thrombogénicité.
La thrombogénicité des structures électrofilées avec divers diamètre de fibres a été comparée en
utilisant une méthode quantitative pour le calcul des plaquettes adhérées basée sur leur marquage
radioactif. La relation entre le diamètre des fibres et l'adhésion plaquettaire est linéaire : la
diminution du diamètre des fibres entraîne la diminution de plaquettes déposées. En outre, le
dépôt des plaquettes sur la structure composée de sub-microfibres de diamètre moyen de 259 nm
est comparable au dépôt des plaquettes sur l'endothélium intact d'une artère.