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. viii 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 vi 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.