Development of a New Biocompatible and Conductive Electrospun Patch for Cardiac Tissue Regeneration

Les maladies cardiovasculaires (MCV) demeurent la principale cause de mortalité dans le monde, les maladies cardiaques ischémiques étant responsables à elles seules de 16 % des décès mondiaux en 2019. Les traitements traditionnels, y compris la transplantation cardiaque, sont limités par la rareté des organes disponibles et la nécessité d'une immunosuppression à vie, ce qui souligne l'urgence de développer des thérapies alternatives. Les patchs cardiaques représentent une solution prometteuse, offrant un moyen de restaurer la fonction cardiaque en fournissant un soutien structurel et en favorisant la régénération du tissu cardiaque. Ce mémoire examine le développement de patchs biocompatibles et conducteurs produits par électrofilage pour l'ingénierie tissulaire cardiaque, en mettant l'accent sur la reproduction des propriétés structurelles, mécaniques et électriques du myocarde natif. L'étude a impliqué la sélection du polyuréthane (PU) comme matériau de base en raison de ses propriétés mécaniques favorables et de sa biocompatibilité. L'oxyde de graphène réduit (rGO) a été incorporé dans les fibres de PU pour améliorer la conductivité électrique, essentielle à la fonctionnalité des tissus cardiaques. Les fibres ont été produites par électrofilage, une technique connue pour créer des échafaudages de nanofibres ressemblant de près à la matrice extracellulaire des tissus cardiaques. Pour améliorer encore l'adhésion cellulaire, un revêtement riche en azote obtenu par polymérisation plasma (LPPE:N) a été appliqué. Les patchs obtenus ont été caractérisés par diverses techniques, notamment la microscopie électronique à balayage, des tests de traction et des mesures de conductivité. Les tests in vitro avec des fibroblastes cardiaques et des cardiomyocytes ont démontré la non-cytotoxicité des patchs, bien que l'impact du rGO et du revêtement LPPE:N sur la viabilité et l'adhésion cellulaire nécessite des études plus approfondies. Les résultats suggèrent que, bien que les patchs développés montrent un potentiel, une optimisation supplémentaire est nécessaire pour améliorer leurs performances dans les applications de régénération tissulaire cardiaque. Cette recherche contribue aux efforts continus en ingénierie tissulaire cardiaque, visant à offrir des alternatives viables aux thérapies conventionnelles pour les patients souffrant de MCV.

Abstract

Cardiovascular diseases (CVDs) remain the leading cause of mortality worldwide, with ischemic heart diseases alone responsible for 16% of global deaths in 2019. Traditional treatments, including heart transplantation, are limited by the scarcity of donor organs and the need for lifelong immunosuppression, highlighting the urgent need for alternative therapies. Cardiac patches represent a promising solution, offering a means to restore heart function by providing structural support and enhancing cardiac tissue regeneration. This thesis investigates the development of biocompatible and conductive electrospun patches for cardiac tissue engineering, focusing on mimicking the structural, mechanical, and electrical properties of the native myocardium. The study involved the selection of polyurethane (PU) as the base material due to its favorable mechanical properties and biocompatibility. Reduced graphene oxide (rGO) was incorporated into the PU fibers to enhance electrical conductivity, which is critical for cardiac tissue functionality. The fibers were produced using electrospinning, a technique known for creating nanofibrous scaffolds that closely resemble the extracellular matrix of cardiac tissue. To further improve cell adhesion, a nitrogen-rich plasma-polymerized coating (LPPE:N) was applied. The resulting patches were characterized through various techniques, including scanning electron microscopy, tensile testing, and conductivity measurements. In vitro testing with primary cardiac fibroblasts and cardiomyocytes demonstrated the non-cytotoxicity of the patches, although the impact of rGO and LPPE:N coating on cell viability and adhesion requires further investigation. The findings suggest that while the developed patches show potential, additional optimization is needed to enhance their performance for cardiac tissue regeneration applications. This research contributes to the ongoing efforts in cardiac tissue engineering, aiming to provide viable alternatives to conventional therapies for patients suffering from CVDs.