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

Les maladies vasculaires, particulierement celles associees aux vaisseaux sanguins de petit diametre, sont la premiere cause de deces aux Etats-Unis. Les couts lies aux maladies cardiovasculaires ont augmente constamment avec le temps. Dans les dernieres annees, de nombreuses recherches en bio-ingenierie ont ete realise afin d’obtenir une prothese vasculaire pour les vaisseaux de petit diametre, mais il n’y a pas encore de greffon qui a ete developpe et qui repond totalement aux exigences. Pour le remplacement des vaisseaux de gros diametre, des protheses en polyethylene terephtalate (PET) tisse ont ete utilisees avec succes, mais elles n’ont pas pu etre utilisees pour les vaisseaux de petit calibre a cause du taux d’echec eleve cause par les phenomenes thrombogeniques et l’hyperplasie myo-intimale. Les recherches effectuees precedemment ont demontre que les structures nanofibreuses et microfibreuses en PET non-tisse produites par le procede d’electrofilage ont des proprietes mecaniques appropriees pour leur application comme prothese vasculaire et sont une matrice apte a la croissance des cellules endotheliales. Dans ce memoire, l’electrofilage sera utilisee pour la production de structures non-tissees composees de sub-microfibres de divers diametres et de divers alignements. La thrombogenicite de ces structures sera testee pour selectionner laquelle est la moins thrombogeniques pour les developpements futurs. Les structures electrofilees en PET non-tisse avec differents diametres ont ete preparees en modifiant les parametres d’electrofilage, principalement la concentration du polymere dans la solution a electrofiler et le debit d’ecoulement de la solution pendant le procede. Le diametre moyen des fibres augmente avec la concentration du polymere et le debit d’ecoulement. Les structures selectionnees pour les tests de thrombogenicite ont un diametre moyen de 259 ± 76nm, 388 ± 98nm and 1148 ± 446nm. L’orientation des fibres a ete obtenue en changeant la vitesse de rotation du collecteur et par consequent, la vitesse lineaire du tambour entre deux valeurs : 22,9 m/min et 114,7 m/min. L’orientation a ete estimee par l’analyse visuelle et l’analyse avec un logiciel des images du microscope electronique a balayage en divers endroits des structures et prises avec divers vi grossissements. Avec l’analyse visuelle aucune orientation predominante n’a ete remarquee, mais l’analyse avec le logiciel a remarque un different degre d’alignement des fibres. La thrombogenicite des structures electrofilees a ete testee en analysant et mesurant l’adhesion des plaquettes humaines dans un systeme de perfusion qui simulait les conditions dynamiques des fluides dans les vaisseaux de petit diametre. L’effet de l’orientation des fibres sur la thrombogenicite a ete evalue en analysant visuellement avec un microscope confocal la forme et la distribution des plaquettes precedemment marquees en fluorescence. Les structures avec une orientation presumee des fibres ont donne des resultats de thrombogenicite majeure par rapport aux structures sans aucune orientation de fibres. Pour cette raison, les structures electrofilees avec des fibres orientees ont ete exclues pour les tests suivants de thrombogenicite. La thrombogenicite des structures electrofilees avec divers diametre de fibres a ete comparee en utilisant une methode quantitative pour le calcul des plaquettes adherees basee sur leur marquage radioactif. La relation entre le diametre des fibres et l’adhesion plaquettaire est lineaire : la diminution du diametre des fibres entraine la diminution de plaquettes deposees. En outre, le depot des plaquettes sur la structure composee de sub-microfibres de diametre moyen de 259 nm est comparable au depot des plaquettes sur l’endothelium intact d’une artere. -----------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.