عنوان پایان‌نامه
اصلاح سطح سیلیکون و اثر هیدرو دینامیک سیال در افزایش پوشش دهی با سلولهای اندوتلیال جهت کاربرد ذر زیست سازگاری ریه مصنوعی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1662.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71229
- تاریخ دفاع
- ۳۰ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- نسیم صالحی نیک
- استاد راهنما
- قاسم عموعابدینی
- چکیده
- پوشش‌دهی سطح فیبرهای توخالی با سلولهای اندوتلیال در نوع جدیدی از ریههای مصنوعی، به نام ریههای مصنوعی بیوهیبریدی، روشی مناسب جهت کاهش لخته‌زایی ناشی از جریان خون در این تجهیزات به شمار می‌رود. در این پایان‌نامه، هدف توسعه یک لایه پایدار و دارای کارایی ضد-انعقادی سلولهای اندوتلیال بر روی فیبرهای توخالی سیلیکونی با استفاده از تلفیق اصلاح سطح سیلیکون و هیدرودینامیک سیال می‌باشد. به این منظور در ابتدا کلاژن با استفاده از گروه‌های عاملی مختلف روی سطح سیلیکون تثبیت گردید. لوله‌های سیلیکونی حاوی کلاژن تثبیت شده با گروه‌های عاملی کربوکسیل و آمین در مقایسه با لوله سیلیکونی اصلاح نشده سبب 3-4 برابر افزایش در تعداد سلولهای اندوتلیال و نیز حدود 3 برابر افزایش در ترشح نیتریک اکسید توسط سلول‌ها پس از 6 روز کشت گردیدند. کلاژن با استفاده از گروه‌های کربوکسیل بر سطح خارجی فیبرهای توخالی سیلیکونی تثبیت شد، اما با اعمال تنش برشی بالای dyn/cm2 30، 27% از سلول‌ها از سطح کنده شدند. بنابراین، به منظور بهبود پایداری سلولهای اندوتلیال تحت تنش‌های برشی بالا، از اعمال پیش تنش برشی بر سلول‌ها به میزان dyn/cm2 12 به مدت 24 ساعت در ظرف جریانی صفحه موازی استفاده گردید. اعمال پیش تنش برشی بر سلولهای اندوتلیال، کنده شدن سلول‌ها در تنش برشی dyn/cm2 30 را تا 2/8 برابر کاهش داد. شبیه‌سازی تنش برشی بر روی سلول‌ها با استفاده از نرم‌افزار کامسول به همراه نتایج آزمایش‌های سلولی نشان داد که با اعمال پیش تنش برشی، توزیع تنش برشی بر سطح سلول‌ها همگن‌تر شده که سبب افزایش پایداری آن‌ها تحت تنش برشی می‌گردد. میزان موفقیت در توسعه مواد زیست سازگار به خاصیت ضد-انعقادی سطح و درجه همگنی لایه سلول اندوتلیال بستگی دارد. بنابراین، نیتریت سدیم به عنوان عامل ضد-انعقادی و/یا هورمون رشد به عنوان عامل محرک رشد به صورت فرم آزاد و یا نانولیپوزومه شده با محلول کلاژن ترکیب شده و بر سطح داخلی لوله‌های سیلیکونی تثبیت شدند. پوشش ترکیبی نیتریت سدیم-کلاژن با Mµ 25 غلظت اولیه نیتریت سدیم پس از 6 روز کشت، تعداد سلولهای اندوتلیال را به میزان بیشینه و تا 28% افزایش داد. Mµ 500 غلظت اولیه نیتریت سدیم نیز چسبندگی پلاکت را به میزان بیشینه و تا 3 برابر در مقایسه با پوشش کلاژنی کاهش داد. پوشش‌های بیومیمتیکی نیتریت سدیم نانولیپوزومه شده (nNitrite)-هورمون رشد نانولیپوزومه شده (nGH)-کلاژن (Col) پس از 6 روز کشت، 83-119% همگنی سلول را نتیجه داده و چسبندگی پلاکت‌ها را بین 50-76% کاهش دادند. پتانسیل کاربردی پوشش بیومیمتیکی nNitrite-nGH-Col بر سطح خارجی فیبرهای توخالی سیلیکونی تحت تنش برشی سیال خون با هدف بهبود عملکرد ریههای مصنوعی بیوهیبریدی مورد بررسی قرار گرفت. به منظور تعیین دسترس پذیری زیستی نیتریت در مرز مشترک فیبر توخالی-خون، که اهمیت زیادی در جلوگیری از تشکیل لخته دارد، اندازه‌گیری نرخ تولید نیتریت از فیبرهای اصلاح سطح شده تحت تنش‌های برشی مختلف به همراه شبیه‌سازی انتقال نیتریت در ظرف جریانی صفحه موازی بوسیله نرم‌افزار کامسول استفاده گردید. نتایج نشان داد که دسترس پذیری نیتریت تحت تنش برشی سیال اثر مستقیمی بر رسوب لخته روی فیبرهای اصلاح سطح شده دارد. پوشش‌دهی فیبرها با ترکیب nNitrite-nGH-Col نه تنها تکثیر و پایداری سلولهای اندوتلیال، بلکه دسترس پذیری زیستی نیتریت و جلوگیری از تشکیل لخته را حتی تحت تنش‌های برشی بالا افزایش داد که نشان می‌دهد این پوشش ترکیبی برای بهبود زیست سازگاری ریههای مصنوعی بیوهیبریدی بسیار مفید است. این نتیجه به همراه نتایج حاصل از تأثیر تنش برشی سیال بر افزایش پایداری و کارایی ضد-انعقادی سلول‌ها و نیز دسترس پذیری زیستی مولکول‌های ضد-انعقادی و رسوب لخته، چشم‌انداز جدیدی در چگونگی اثر تلفیق اصلاح سطح و هیدرودینامیک سیال در افزایش زیست سازگاری مواد تحت شرایط جریان فراهم آورد. این یافته‌ها می‌تواند در توسعه سطح سیلیکونی زیست سازگار برای استفاده در ریههای مصنوعی بیوهیبریدی یا سایر تجهیزات در تماس با خون بکار گرفته شود.
- Abstract
- Endothelialization of hollow fibers in new types of artificial lungs, so-called biohybrid artificial lungs, is promising to decrease thrombotic complications resulting from blood flow through these devices. This thesis aimed to develop a stable and anti-thrombotic functional endothelial cell layer on the surface of silicone hollow fibers using silicone surface modification and fluid hydrodynamics modulation. We started by collagen immobilization on the inside surface of silicone tubes using different functional groups. Collagen-immobilized silicone tubes with amine or carboxyl groups increased the number of endothelial cells by 3-4-fold after 6 days of culture and stimulated nitric oxide release by endothelial cells by approximately 3-fold. Collagen immobilization with carboxyl groups was applied to the outside surface of silicone hollow fibers, but 27% of the cells still detached at a high fluid shear stress of 30 dyn/cm2. Therefore, flow preconditioning of endothelial cells with 12 dyn/cm2 fluid shear stress in a parallel-plate flow chamber for 24 h was used to stimulate cell monolayer retention under high fluid shear stress. Flow preconditioning of endothelial cells decreased cell detachment under high fluid shear stress of 30 dyn/cm2 by 8-fold, compared with un-preconditioned cells. Shear stress simulation at the cell’s surface by COMSOL software coupled with cell experimental results showed that flow preconditioning of endothelial cells tailors a smooth surface of the cells, which resulted in a more homogenous shear stress distribution at the cell’s surface, and decreased cell detachment. The ultimate success of developing biocompatible materials depends on the anti-thrombogenicity of the surface and the degree of confluency of the endothelial cell layer. Therefore, sodium nitrite as an anti-thrombotic agent and/or growth hormone as a growth-inducing agent in free-form or in nanoliposomes were blended with collagen solution, and immobilized on silicone tubes. Sodium nitrite-collagen conjugate with 25 µM initial sodium nitrite maximally increased endothelial cell number by 28% after 6 days of culture. Five hundred µM initial sodium nitrite maximally decreased platelet adhesion by 3-fold compared with collagen coating. The biomimetic nanoliposomal sodium nitrite (nNitrite)-nanoliposomal growth hormone (nGH)-collagen (Col) coatings resulted in endothelial cell confluency of 83-119%, and decreased platelet adhesion by 50-76% after 6 days of endothelial cell culture. The application potential of the biomimetic nNitrite-nGH-Col coating on the outside surface of silicone hollow fibers was also assessed under blood flow shear stress with the aim to improve the performance of biohybrid artificial lungs. Quantification of the nitrite production from surface-modified fibers under different shear stresses coupled with simulations of nitrite transport in a parallel-plate flow chamber using COMSOL software were used to determine nitrite bioavailability at the hollow fiber-blood interface, which is of crucial importance to inhibit thrombus formation. Our results showed that nitrite bioavailability has a direct effect on thrombus deposition on surface-modified fibers under shear stress. Coating of fibers with nNitrite-nGH-Col conjugate not only increased endothelial cell proliferation and stability, but also increased nitrite bioavailability and inhibited thrombus formation even under high shear stress, suggesting that this conjugate coating is highly promising to improve the biocompatibility of biohybrid artificial lungs. This, together with new insights in the effects of fluid shear stress on increasing cell stability, and anti-thrombotic functionality, as well as on modifying the bioavailability of anti-thrombotic biomolecules and thrombus deposition, improves our understanding of how surface modification and fluid hydrodynamics modulation increase material biocompatibility under flow condition. These insights could contribute to the development of biocompatible silicone to use in biohybrid artificial lungs and other blood-contacting devices.
