Increase the strength characteristics of polymer films by radiation graft polymerization

The possibility of increasing the strength characteristics of polymer films based on polyethylene and polyamide by radiation graft polymerization was investigated. Two methods of graft polymerization (direct method and the method of polymer mixtures cross-linking) on the PMMA films surface were studied. The possibility of increasing the strength and elasticity of polymeric films by radiation modification of polymethyl methacrylate was shown

Sorption properties of radiation-cross-linked polymer hydrogels containing ion-exchange fibers

Polymer hydrogel modification for soft contact lenses by ion-exchange fibers was studied in this work. The obtained results showed that the ion-exchange fiber modifiers have a number of advantages as compared with ion-exchange resin modifiers

Conformer of the peroxynitrite ion formed under photolysis of crystalline alkali nitrates – cis or trans?

The optical and infrared reflectance spectra of the crystalline powders prepared by co-crystallization of caesium nitrate, nitrite, and peroxynitrite from alkali solution have been studied. We find that the trans conformer forms under photolysis of crystalline pure caesium nitrate. Under its dissolution the trans conformer transforms to the cis conformer

ПОЛИМЕРНЫЕ ПРОТЕЗЫ КЛАПАНОВ СЕРДЦА: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

The idea of creating a polymer heart valve, which has high strength and biocompatibility, occurs in the 60’s. Since then, many polymer compounds have been investigated, but no solution has been found for this problem. In recent years, in connection with the development of technologies for the synthesis of high-molecular compounds, new polymers have appeared that can solve this problem, as evidenced by a number of publications describing experimental and clinical data. Nevertheless, the search for a polymer for the valve stem of the valvular valve body does not lose its relevance due to the defi ciencies studied and the lack of evidence confi rming the long-term safety of such products. This review presents the fi rst results of a study of polymer heart valves prostheses based on a nanocomposite polymer from polyhedral oligomeric nanoparticles of silicosioxane and polycarbonate urethane polymer POSS-PCU, polystyrene block-isobutylene-block-styrene SIBS, PTFE polytetrafl uoroethylene, copolymers and composites based on olefi n polymers series and polyesters, the idea of creating a material with a given three-dimensional microarchitecture that determines the anisotropy and the necessary mechanical properties.Идея создания полимерного клапана сердца, обладающего высокой прочностью и биосовместимостью, берет свое начало в 60-х годах. С тех пор исследовано множество полимерных соединений, однако так и не было найдено решение данной проблемы. В последние годы в связи с развитием технологий синтеза высокомолекулярных соединений появились новые полимеры, обладающие потенциалом для решения данной проблемы, о чем свидетельствует ряд публикаций, описывающих экспериментальные и клинические данные. Тем не менее поиск полимера для основы створчатого аппарата протеза клапана сердца не теряет своей актуальности ввиду изученных недостатков и отсутствия доказательной базы, подтверждающей долгосрочную безопасность таких изделий. В настоящем обзоре представлены первые результаты исследования полимерных протезов клапанов сердца на основе нанокомпозитного полимера из полиэдрических олигомерных силсесквиоксановых наночастиц и поликарбонатномочевинного уретанового полимера POSS-PCU, поли(стирол-блок-изобутилен-блок-стирола) – SIBS, политетрафторэтилена PTFE и др., возможность получения новых сополимеров и композитов на базе полимеров олефинового ряда и полиэстеров, продемонстрирована идея создания материала с заданной трехмерной микроархитектурой, определяющей анизотропию и необходимые механические свойства

Increase the strength characteristics of polymer films by radiation graft polymerization

The possibility of increasing the strength characteristics of polymer films based on polyethylene and polyamide by radiation graft polymerization was investigated. Two methods of graft polymerization (direct method and the method of polymer mixtures cross-linking) on the PMMA films surface were studied. The possibility of increasing the strength and elasticity of polymeric films by radiation modification of polymethyl methacrylate was shown

Концепция автоматизированного функционального проектирования протезов клапанов сердца

Aim. To develop an algorithm for the automated functional design of the heart valve leaflet apparatus.Methods. The geometry of the aortic valve leaflet was designed in the Matlab programming environment (MathWorks, Massachusetts, USA). Numerical modeling of the opening process was performed using Abaqus/CAE (Dassault Systemes, France).Results. We developed an algorithm, with the help of which a set of models of the leaflet apparatus was designed. 8 models were subjected to numerical modeling of the stress-strain state. The locking pressure simulation has shown that the smallest von Mises stress value was recorded for a sample with a larger surface area of the leaflet belly and it equals 0.422 MPa. The results obtained show that the value of the radius of curvature significantly affects the behavior of the entire valve, which leads to the conclusion that it is necessary to carefully select the design of the valve apparatus for its correct functioning.Conclusion. The study provides the primary confirmation that the concept of the algorithm is efficient for the automated functional design of the aortic heart valve leaflet apparatus. Цель. Разработать алгоритм автоматизированного функционального проектирования створчатого аппарата аортального клапана сердца.Материалы и методы. Генерация геометрий створчатого аппарата аортального клапана сердца выполнена в среде программирования MATLAB (MathWorks, Массачусетс, США). Численное моделирование процесса открытия произведено с использованием программного обеспечения Abaqus/CAE (Dassault Systemes, Франция).Результаты. Разработан алгоритм, с помощью которого получен набор моделей створчатого аппарата, восемь из которого подверглись численному моделированию напряженно-деформированного состояния. Моделирование запирающего давления продемонстрировало, что наименьшее значение напряжения по Мизесу зафиксировано у образца с большей площадью поверхности купола створки и составляет 0,422 мПа. Полученные результаты показывают, что величина радиуса кривизны в значительно большей степени влияет на поведение всего клапана, что приводит к выводу о необходимости тщательного выбора дизайна аппарата для его корректного функционирования.Заключение. Приведено первичное подтверждение работоспособности концепта алгоритма автоматизированного функционального проектирования створчатого аппарата аортального клапана сердца.

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ePTFE В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ДЛЯ СТВОРЧАТОГО АППАРАТА ПРОТЕЗА КЛАПАНА СЕРДЦА

Background The current study highlights potential benefits of using ePTFE, a polymeric material, as the main component suitable for fabrication of prosthetic heart valves. Novel polymeric materials seem to be promising for replacing biological elements commonly used in medical products for cardiovascular surgery. High biocompatibility and mechanical properties prolong their lifespan during direct blood contact. Nevertheless, it is necessary to conduct a series of specific tests to determine their properties and benefits of their application. Despite well-known biological properties of ePTFE, there are few studies assessing it as a material for heart valve leaflets. Aim To evaluate the mechanical properties of the commercially available sample of ePTFE and to conduct a numerical experiment assessing its potential for the application. Methods The polymer properties (Gore & Associates Inc., USA) were evaluated under uniaxial tension in two mutually perpendicular directions to determine the degree of anisotropy of the material. A xenopericardial patch (ZAO “NeoCor”, Russia), routinely used for the fabrication of bioprosthetic leaflets, was taken as the control sample. The spatial model of the investigated material was carried out in CAD SolidWorks 2016 (Dassault Systemes, USA). Numerical modeling of the samples was performed with the finite element method using the orthotropic material model in the Abaqus/CAE (Dassault Systemes, USA). Results There are significant difference found in the mechanical properties of the studied materials: the tension at stretching of ePTFE in the longitudinal and transverse directions differed from xenopericardium by 1.9 and 7.5 times, respectively (p<0.05). The elongation before rupture of ePTFE in direction I and direction II was greater than that of xenopericardium (2.39 vs. 1.9 times, respectively). Numerical modeling demonstrated insignificant qualitative differences in the valve opening while applying pressure equal to normal physiological pressure>< 0.05). The elongation before rupture of ePTFE in direction I and direction II was greater than that of xenopericardium (2.39 vs. 1.9 times, respectively). Numerical modeling demonstrated insignificant qualitative differences in the valve opening while applying pressure equal to normal physiological pressure and low pressure. In addition, the zones of high stress in commissural racks, which are critical zones for fatigue resistance, have been identified, albeit require additional in vitro research. Conclusion Mechanical properties of ePTFE suggests it to be a promising polymeric material suitable for fabrication of flexible leaflets of the heart valve prosthesis. It has similar leaflet functioning, compared with the xenopericardium sample, routinely used in manufacturing. ePTFE is more resistant to rupture, which confirms its greater fatigue strength. However, it requires further study by advanced methods.Актуальность Работа посвящена оценке возможности применения полимерного материала ePTFE в качестве основного компонента для изготовления протезов клапанов сердца. Современные полимерные материалы могут являться перспективными для замены биологических элементов, входящих в состав медицинских изделий для сердечно-сосудистой хирургии. Их высокая биосовместимость и упруго-деформативные характеристики удовлетворяют требованиям длительной эксплуатации в условиях контакта с кровью в организме пациента. Тем не менее, необходимо проведение серии специфических тестов, определяющих возможности и особенности их применения. Цель Обоснование возможности создания гибкого полимерного створчатого аппарата протеза клапана сердца с позиции механики твердого тела. Материалы и методы Оценку свойств полимера (Gore & Associates Inc., США) осуществляли в условиях одноосного растяжения образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях для определения степени анизотропии материала. В качестве объекта сравнения выступал ксеноперикардиальный лоскут (ЗАО «НеоКор», Россия), используемый в производственной практике при изготовлении створчатого аппарата биопротезов клапанов сердца. Создание пространственной модели исследуемого объекта осуществляли в САПР SolidWorks 2016 (Dassault Systemes, США). Численное моделирование работы створок осуществляли методом конечных элементов с использованием ортотропной модели материала в среде инженерного анализа Abaqus/CAE (Dassault Systemes, США). Результаты Показано значимое различие физико-механических свойств исследуемых материалов: напряжение при растяжении ePTFE в продольном и поперечном направлениях отличалось от ксеноперикарда в 1,9 и 7,5 раз, соответственно (р<0,05). Относительное удлинение до разрыва ePTFE в продольном и поперечном направлениях было больше данного показателя для ксеноперикарда в 2,39 и 1,9 раза, соответственно. Численное моделирование продемонстрировало незначительное качественное различие в открытии створок при приложении давления, эквивалентного нормальному физиологическому и гипотоническому. Дополнительно, были определены зоны повышенного напряжения в комиссуральных стойках, являющиеся, потенциально, критической зоной с позиции циклоклостойкости, требующей дополнительного исследования in vitro. Заключение Применение полимерного материала ePTFE в качестве гибкого створчатого>< 0,05). Относительное удлинение до разрыва ePTFE в продольном и поперечном направлениях было больше данного показателя для ксеноперикарда в 2,39 и 1,9 раза, соответственно. Численное моделирование продемонстрировало незначительное качественное различие в открытии створок при приложении давления, эквивалентного нормальному физиологическому и гипотоническому. Дополнительно, были определены зоны повышенного напряжения в комиссуральных стойках, являющиеся, потенциально, критической зоной с позиции циклоклостойкости, требующей дополнительного исследования in vitro. Заключение Применение полимерного материала ePTFE в качестве гибкого створчатого аппарата протеза клапана сердца является перспективным с позиции оценки его механических свойств. Материал демонстрирует схожие характеристики при оценке основной – запирательной – функции створчатого аппарата в сравнении с ксеноперикардом, применяемым в текущей производственной практике. Полимер ePTFE более устойчив к разрыву, что предполагает его большую усталостную прочность, однако требует дальнейшего изучения расширенными методами.

Анализ причин дисфункций биопротезов клапанов сердца на примере дисфункции биопротеза «ЮниЛайн»

Aim: to assess the contribution of primary tissue failure, calcification, bacterial contamination and pannus to bioprosthetic valve dysfunction.Materials and methods. To evaluate degenerative changes of the «UniLine» bioprosthesis explanted from the mitral position with macroscopic examination, light and scanning electron microscopy, and micro-computed tomography (micro-CT). Light microscopy was used to analyze cell composition, the presence of bacteria, the localization of calcific deposits and recipient cells. Scanning electron microscopy allowed confirming the presence of bacteria. Micro-CT was used to evaluate the deformation of the bioprosthetic elements, the distribution of calcific deposits and their volume in the valve tissue.Results. The presence of pannus, calcification, primary tissue failure and bacterial contamination were found among the causes leading to bioprosthetic dysfunction. Prosthetic leaflets showed pannus growth from the inflow tract. Excessive circumferential pannus extended into outflow tract. Calcific deposits were mostly localized in the commissural zone and the central portion of the leaflets. The total volume of calcification accounted for 1/3 of the bioprosthetic tissue component. The relationship between calcification and stress-strain properties of the bioprosthetic elements has been indicated. The asymmetric deformation of the bioprosthetic stent frame and leaflets with 1.5-fold thickening of the last has been found. The areas with loose and fragmented collagen and elastic fibers contained red blood cells and neutrophils. Endothelial cells and fibroblastic cells were present in the outer surface layers. There were no signs of calcification in the areas accumulating cells and bacteria.Conclusion. We can assume that primary tissue failure, calcification, bacterial contamination and pannus independently contribute to the onset of bioprosthetic heart valve dysfunction.Цель. Оценить вклад первичной тканевой несостоятельности, кальцификации, бактериальной контаминации и паннуса в структуру дисфункций биопротезов клапанов сердца.Материал и методы. Оценку дегенеративных изменений биопротеза «ЮниЛайн», эксплантированного из митральной позиции, осуществляли на основании макроскопического описания, метода световой и электронной сканирующей микроскопии, а также метода микрокомпьютерной томографии (микро-КТ). Метод световой микроскопии использовали для анализа клеточного состава, присутствия бактерий, солокализации кальцификатов и клеток реципиента. Сканирующую электронную микроскопию применяли с целью подтверждения наличия бактерий. Оценку деформации элементов биопротеза, распределения кальцификатов и количественного объема кальцификата в структуре биоматериала проводили по данным микро-КТ.Результаты. При изучении биопротеза в числе причин дисфункций было отмечено присутствие паннуса, кальцификации, первичной тканевой несостоятельности и бактериальной контаминации. Со стороны приточного отдела паннус отмечен с заходом на створки, со стороны выводного отдела паннус представлен массивным образованием, расположенным по контуру каркаса. Основное расположение кальцификатов отмечено в комиссуральной зоне и в куполе створок, общий объем кальцината составил 1/3 часть от биологической составляющей биопротеза. По результатам исследования обозначена взаимосвязь кальцификации и напряженно-деформативного состояния элементов биопротеза. Выявлена несимметричная деформация каркаса и створок биопротеза с утолщением створок в 1,5 раза. В участках с разрыхлением и фрагментацией коллагеновых и эластических волокон отмечено наличие форменных элементов крови, в основном эритроцитов и нейтрофилов. В поверхностных слоях присутствовали эндотелиальные клетки и клетки фибробластического типа. В местах скопления клеток и бактерий признаков начала кальцификации не выявлено.Заключение. По результатам исследования можно предположить, что первичная тканевая несостоятельность, кальцификация, бактериальная контаминация и паннус вносят независимый вклад в процесс формирования дисфункции биопротезов клапанов сердца

БИОДЕГРАДИРУЕМЫЙ СОСУДИСТЫЙ ПРОТЕЗ С АРМИРУЮЩИМ ВНЕШНИМ КАРКАСОМ

Background. Tissue-engineered vascular grafts can be reinforced by a biostable or biodegradable polymer sheath. A combination of electrospinning, routinely used for fabrication of biodegradable tubular grafts, and the layer-by-layer coating allows forming a polymeric sheath ensuring long-term integrity and high biocompatibility of the vascular grafts after the implantation. Aim To evaluate mechanical properties and in vivo performance of biodegradable small-diameter vascular grafts with a reinforcing sheath.Methods. Tubular grafts (4 mm diameter) were fabricated from poly(3-hydroxybutyrate-co3-hydroxyvalerate) and poly(ε-caprolactone) by emulsion electrospinning with the incorporation of vascular endothelial growth factor (VEGF) into the inner third of the graft and basic fibroblast growth factor (bFGF) along with stromal cell-derived factor-1α (SDF-1α) into the outer two thirds of the graft wall. Poly(ε-caprolactone) sheath was formed by the layer-by-layer coating. Upon graft fabrication, scanning electron microscopy was performed to assess the grafts’ surface, tensile testing allowed evaluating mechanical properties. The samples were implanted into the ovine carotid artery (n = 5 animals) for 12 months with the subsequent histological examination.Results. Sintering temperature of 160°C during the extrusion allowed effective and delicate merging of poly(ε-caprolactone) coating with the outer surface of the poly(3hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)/poly(ε-caprolactone) tubular graft. The thickness of poly(ε-caprolactone) fiber was 380–400 μm, the increment of the reinforcing filament was 1 mm. The reinforcing sheath led to a 3-fold increase in durability and elastic modulus of the vascular grafts. At the 12-months follow-up, the grafts reported retained integrity. No signs of inflammation or calcification were found.Conclusion. The poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) and poly(ε-caprolactone) vascular grafts with hierarchically incorporated growth factors and the reinforced poly(ε-caprolactone) spiral sheath demonstrated improved mechanical properties while retaining integrity and high biocompatibility after the long-term implantation into the ovine carotid artery.Актуальность. Основные способы укрепления стенки тканеинженерного сосудистого графта представляют собой использование армирующих конструкций, изготовленных из биостабильных или биодеградируемых полимеров. Однако совмещение метода электроспиннинга с целью изготовления биодеградируемого трубчатого каркаса и метода послойного наплавления армирующей нити для создания внешнего армирующего каркаса требует оценки сохранения единства конструкции в ходе долгосрочной имплантации, а также реакции окружающих тканей на армирующее покрытие.Цель. Разработать технологию изготовления биодеградируемого сосудистого протеза малого диметра с внешним армирующим покрытием и оценить состоятельность разработанной конструкции в эксперименте.Материалы и методы. Методом двухфазного электроспиннинга из полигидроксибутирата/валерата и поликапролактона (PHBV/PCL) изготовлены трубчатые каркасы диаметром 4,0 мм с послойным введением в структуру графта дифференцировочных факторов (GF mix): VEGF – во внутреннюю 1/3 стенки, bFGF и SDF-1a – во внешние 2/3 стенки. Внешний спиралевидный каркас из PCL изготавливали методом послойного наплавления. Изучены физико-механические свойства и структура поверхности разработанных конструкций. Сосудистые графты с армирующим внешним каркасом имплантированы в сонную артерию пяти овец сроком на 12 месяцев с последующим изучением эксплантированных образцов с помощью сканирующей электронной микроскопии и гистологических методов исследования.Результаты. Выбор температурного режима спекания 160 ᵒС в процессе экструзии позволил интимно и без повреждения зон, свободных от армирующего покрытия, соединить нить PCL с наружной поверхностью трубчатого каркаса PHBV/ PCL/GFmix. Получали PCL нить толщиной 380–400 мкм, шаг спирали армирующего каркаса составил 1 мм. Наличие армирующего каркаса в 3 раза повысило прочность на разрыв и модуль Юнга графтов в поперечном направлении. Спустя 12 месяцев имплантации целостность конструкции сохранялась, существенной резорбции внешнего армирующего каркаса не выявлено, в тканях, окружавших нити каркаса, отсутствовало воспаление и кальцификация.Заключение. В ходе долгосрочной имплантации сохранено единство биодеградируемого сосудистого протеза PHBV/PCL/GF mix с внешним армирующим спиралевидным каркасом из PCL. Результаты гистологического исследования свидетельствуют о высокой биосовместимости разработанной конструкции