Modelado constitutivo multiescala para materiales nanofibrosos en ausencia de matriz soporte

El modelado del comportamiento mecánico de las matrices porosas surge como un instrumento importante en el desarrollo de injertos sintéticos con vistas al diseño de las características biomiméticas y a la predicción del comportamiento in vivo. Se pretende así, ahorrar ensayos experimentales en laboratorio y predecir cómo las distintas variables afectan al desempeño final de la matriz. En este sentido los modelos constitutivos estructurados y multiescala presentan una ventaja frente a los fenomenológicos, ya que permiten relacionar propiedades microscópicas del material con parámetros macroscópicos, y así obtener configuraciones óptimas para conseguir la respuesta mecánica buscada. En los últimos años, la técnica de electrospinning ha surgido como una alternativa viable para obtener matrices porosas compuestas por fibras nanométricas con características similares a la matriz extracelular. Siendo el desfasaje de propiedades mecánicas entre el tejido natural y el tejido sintético una de las principales causas de falla de estas matrices, este trabajo presenta el modelado constitutivo multiescala orientado a predecir y optimizar el comportamiento en servicio de materiales nanofibrosos para obtener una respuesta adecuadamente biomimética. Se proponen ecuaciones que reproducen la respuesta mecánica de matrices nanofibrosas con orientación al azar obtenidas por la técnica de electrospinning. El análisis presentado toma en cuenta parámetros tales como las características del material base, la orientación de las nanofibras, el reclutamiento de fibras, los posibles anclajes, factores determinantes en la respuesta no lineal observada experimentalmente. Las ecuaciones resultantes son validadas comparando los resultados de simulaciones con ensayos experimentales de tracción uniaxial mediante el empleo de técnicas de optimización computacional implementadas en el sistema GNU Octave. Mediante este trabajo se pretende contribuir al diseño de materiales biomiméticos mediante la integración de técnicas computacionales con ensayos experimentales.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 8.Facultad de Ingenierí

Modelado constitutivo multiescala para materiales nanofibrosos en ausencia de matriz soporte

El modelado del comportamiento mecánico de las matrices porosas surge como un instrumento importante en el desarrollo de injertos sintéticos con vistas al diseño de las características biomiméticas y a la predicción del comportamiento in vivo. Se pretende así, ahorrar ensayos experimentales en laboratorio y predecir cómo las distintas variables afectan al desempeño final de la matriz. En este sentido los modelos constitutivos estructurados y multiescala presentan una ventaja frente a los fenomenológicos, ya que permiten relacionar propiedades microscópicas del material con parámetros macroscópicos, y así obtener configuraciones óptimas para conseguir la respuesta mecánica buscada. En los últimos años, la técnica de electrospinning ha surgido como una alternativa viable para obtener matrices porosas compuestas por fibras nanométricas con características similares a la matriz extracelular. Siendo el desfasaje de propiedades mecánicas entre el tejido natural y el tejido sintético una de las principales causas de falla de estas matrices, este trabajo presenta el modelado constitutivo multiescala orientado a predecir y optimizar el comportamiento en servicio de materiales nanofibrosos para obtener una respuesta adecuadamente biomimética. Se proponen ecuaciones que reproducen la respuesta mecánica de matrices nanofibrosas con orientación al azar obtenidas por la técnica de electrospinning. El análisis presentado toma en cuenta parámetros tales como las características del material base, la orientación de las nanofibras, el reclutamiento de fibras, los posibles anclajes, factores determinantes en la respuesta no lineal observada experimentalmente. Las ecuaciones resultantes son validadas comparando los resultados de simulaciones con ensayos experimentales de tracción uniaxial mediante el empleo de técnicas de optimización computacional implementadas en el sistema GNU Octave. Mediante este trabajo se pretende contribuir al diseño de materiales biomiméticos mediante la integración de técnicas computacionales con ensayos experimentales.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 8.Facultad de Ingenierí

Modelado constitutivo multiescala para materiales nanofibrosos en ausencia de matriz soporte

El modelado del comportamiento mecánico de las matrices porosas surge como un instrumento importante en el desarrollo de injertos sintéticos con vistas al diseño de las características biomiméticas y a la predicción del comportamiento in vivo. Se pretende así, ahorrar ensayos experimentales en laboratorio y predecir cómo las distintas variables afectan al desempeño final de la matriz. En este sentido los modelos constitutivos estructurados y multiescala presentan una ventaja frente a los fenomenológicos, ya que permiten relacionar propiedades microscópicas del material con parámetros macroscópicos, y así obtener configuraciones óptimas para conseguir la respuesta mecánica buscada. En los últimos años, la técnica de electrospinning ha surgido como una alternativa viable para obtener matrices porosas compuestas por fibras nanométricas con características similares a la matriz extracelular. Siendo el desfasaje de propiedades mecánicas entre el tejido natural y el tejido sintético una de las principales causas de falla de estas matrices, este trabajo presenta el modelado constitutivo multiescala orientado a predecir y optimizar el comportamiento en servicio de materiales nanofibrosos para obtener una respuesta adecuadamente biomimética. Se proponen ecuaciones que reproducen la respuesta mecánica de matrices nanofibrosas con orientación al azar obtenidas por la técnica de electrospinning. El análisis presentado toma en cuenta parámetros tales como las características del material base, la orientación de las nanofibras, el reclutamiento de fibras, los posibles anclajes, factores determinantes en la respuesta no lineal observada experimentalmente. Las ecuaciones resultantes son validadas comparando los resultados de simulaciones con ensayos experimentales de tracción uniaxial mediante el empleo de técnicas de optimización computacional implementadas en el sistema GNU Octave. Mediante este trabajo se pretende contribuir al diseño de materiales biomiméticos mediante la integración de técnicas computacionales con ensayos experimentales.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 8.Facultad de Ingenierí

Reduced kinematic multiscale model for tissue engineering electrospun scaffolds

To this day, there is still a need for a direct relationship between the microscopic material properties and network microstructure configuration with the macroscopic mechanical response in order to optimize the design loops of biomimetic electrospun grafts. Multiscale mechanical modeling arises as a useful alternative, which allows to represent the individual nanofibers mechanical response and how the interaction between fibers results in the final macroscopic behavior. In this work, a micromechanical model that accounts for fiber interaction, progressive straightening (i.e. progressive recruitment) and reorientation is presented. An RVE is generated by means of a virtual deposition algorithm that mimics the electrospinning process itself, thus obtaining geometries that resemble the observed electrospun microstructure. These geometries were then validated by comparison with analysis of SEM images, taking special interest in the diameter, orientation and tortuosity distributions. Then, an elastic–plastic constitutive law for the nanofibers is implemented along with a simplified kinematic description that results in a significant reduction of the number of Degrees of Freedom of the discretized mechanical equilibrium problem. Finally, the micromechanical model is validated against uniaxial tensile tests of electrospun PLLA bone-shaped samples, reproducing the experimentally observed behavior while employing realistic geometric and constitutive parameters to characterize the fibers.Fil: Caballero, Daniel Enrique. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; ArgentinaFil: Montini Ballarin, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; ArgentinaFil: Gimenez, Juan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; ArgentinaFil: Biocca, Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; ArgentinaFil: Rull, Nahuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Frontini, Patricia Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Urquiza, Santiago Adrian. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; Argentin

Evaluation of human umbilical vein endothelial cells growth onto heparin-modified electrospun vascular grafts

One of the main challenges of cardiovascular tissue engineering is the development of bioresorbable and compliant small-diameter vascular grafts (SDVG) for patients where autologous grafts are not an option. In this work, electrospun bilayered bioresorbable SDVG based on blends of poly(L-lactic acid) (PLLA) and segmented polyurethane (PHD) were prepared and evaluated. The inner layer of these SDVG was surface-modified with heparin, following a methodology involving PHD urethane functional groups. Heparin was selected as anticoagulant agent, and also due to its ability to promote human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) growth and to inhibit smooth muscle cells over-proliferation, main cause of neointimal hyperplasia and restenosis. Immobilized heparin was quantified and changes in SDVG microstructure were investigated through SEM. Tensile properties of the heparin-functionalized SDVG resembled those of saphenous vein. Vascular grafts were seeded with HUVECs and cultured on a flow-perfusion bioreactor to analyze the effect of heparin on graft endothelization under simulated physiological-like conditions. The analysis of endothelial cells attachment and gene expression (Real-Time PCR) pointed out that the surface functionalization with heparin successfully promoted a stable and functional endothelial cell layer.Fil: Caracciolo, Pablo Christian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Diaz Rodriguez, Patricia. Universidad de Santiago de Compostela; EspañaFil: Ardao, Inés. Universidad de Santiago de Compostela; EspañaFil: Moreira, David. Universidad de Santiago de Compostela; EspañaFil: Montini Ballarin, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Abraham, Gustavo Abel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Concheiro, Angel. Universidad de Santiago de Compostela; EspañaFil: Alvarez Lorenzo, Carmen. Universidad de Santiago de Compostela; Españ

Aligned ovine diaphragmatic myoblasts overexpressing human connexin-43 seeded on poly (L-lactic acid) scaffolds for potential use in cardiac regeneration

Diaphragmatic myoblasts (DMs) are precursors of type-1 muscle cells displaying high exhaustion threshold on account that they contract and relax 20 times/min over a lifespan, making them potentially useful in cardiac regeneration strategies. Besides, it has been shown that biomaterials for stem cell delivery improve cell retention and viability in the target organ. In the present study, we aimed at developing a novel approach based on the use of poly (L-lactic acid) (PLLA) scaffolds seeded with DMs overexpressing connexin-43 (cx43), a gap junction protein that promotes inter-cell connectivity. DMs isolated from ovine diaphragm biopsies were characterized by immunohistochemistry and ability to differentiate into myotubes (MTs) and transduced with a lentiviral vector encoding cx43. After confirming cx43 expression (RT-qPCR and Western blot) and its effect on inter-cell connectivity (fluorescence recovery after photobleaching), DMs were grown on fiberaligned or random PLLA scaffolds. DMs were successfully isolated and characterized. Cx43 mRNA and protein were overexpressed and favored inter-cell connectivity. Alignment of the scaffold fibers not only aligned but also elongated the cells, increasing the contact surface between them. This novel approach is feasible and combines the advantages of bioresorbable scaffolds as delivery method and a cell type that on account of its features may be suitable for cardiac regeneration. Future studies on animal models of myocardial infarction are needed to establish its usefulness on scar reduction and cardiac function.Centro de Investigaciones Cardiovasculare

Optimization of poly(l-lactic acid)/segmented polyurethane electrospinning process for the production of bilayered small-diameter nanofibrous tubular structures

The present study is focused on the electrospinning process as a versatile technique to obtain nanofibrous tubular structures for potential applications in vascular tissue engineering. A bilayered scaffolding structure composed of poly(L-lactic acid) (PLLA)/bioresorbable segmented polyurethane (SPEU) blends for small-diameter (5 mm) vascular bypass grafts was obtained by multilayering electrospinning. Polymer blend ratios were chosen to mimic the media and adventitia layers. The influence of the different electrospinning parameters into the fiber formation, fiber morphology and fiber mean diameter for PLLA, SPEU and two PLLA/SPEU blends were studied. Flat and two-parallel plate collectors were used to analyze the effect of the electrostatic field on the PLLA nanofiber alignment in the rotating mandrel. Membrane topography resulted in random or aligned nanofibrous structures depending on the auxiliary collector setup used. Finally, composition, surface hydrophilicity, thermal properties and morphology of nanofibrous scaffolds were characterized and discussed. Since the development of tissue engineered microvascular prostheses is still a challenge, the prepared scaffolding tubular structures are promising candidates for vascular tissue engineering.Fil: Montini Ballarin, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Caracciolo, Pablo Christian. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Blotta, Eduardo Luis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Eléctrica; ArgentinaFil: Ballarin, Virginia Laura. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Eléctrica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; ArgentinaFil: Abraham, Gustavo Abel. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin

Combination of electrospinning with other techniques for the fabrication of 3D polymeric and composite nanofibrous scaffolds with improved cellular interactions

The development of three-dimensional (3D) scaffolds with physical and chemical topological cues at the macro-, micro-, and nanometer scale is urgently needed for successful tissue engineering applications. 3D scaffolds can be manufactured by a wide variety of techniques. Electrospinning technology has emerged as a powerful manufacturing technique to produce non-woven nanofibrous scaffolds with very interesting features for tissue engineering products. However, electrospun scaffolds have some inherent limitations that compromise the regeneration of thick and complex tissues. By integrating electrospinning and other fabrication technologies, multifunctional 3D fibrous assemblies with micro/nanotopographical features can be created. The proper combination of techniques leads to materials with nano and macro-structure, allowing an improvement in the biological performance of tissue-engineered constructs. In this review, we focus on the most relevant strategies to produce electrospun polymer/composite scaffolds with 3D architecture. A detailed description of procedures involving physical and chemical agents to create structures with large pores and 3D fiber assemblies is introduced. Finally, characterization and biological assays including in vitro and in vivo studies of structures intended for the regeneration of functional tissues are briefly presented and discussed.Fil: Bongiovanni Abel, Silvestre Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Montini Ballarin, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Abraham, Gustavo Abel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin

Multiscale constitutive model with progressive recruitment for nanofibrous scaffolds

Biomedical applications need tailor-made scaffolds that exhibit biomimetic mechanical properties. In this context, electrospinning has emerged as a technique with promising features for their production. However, the electrospun scaffolds mechanical behavior as a function of the microstructure and nanofiber properties is still poorly understood. Besides, multiscale constitutive modeling appears as a powerful design tool, not only able to characterize electrospun structures, but also to determine the fiber properties and scaffold microstructure that would achieve the objective response. With focus in this last aspect, we developed a multiscale constitutive model for nanofibrous structures that takes into account the material constitutive properties, scaffold microstructure, and nanofiber progressive recruitment. A statistical approach of the nanofibers tortuosity with a modified Gaussian distribution was adopted, which allowed for reproducing the scaffolds macroscopic nonlinear mechanical behavior. It was observed that such behavior arises even if the nanofibers response is considered as mechanically linear. Experimental data from pressure vs. diameter inflation tests of electrospun tubular scaffolds was used to validate the model. In addition, the influence of the microstructural parameters upon the macroscopic constitutive behavior was studied. Finally, the model parameters were adjusted to obtain a vascular graft able to reproduce the mechanical response of a target natural tissue. The current study presents a step towards understanding, characterizing, and optimizing the mechanical properties of nanofibrous biomaterials.Fil: Caballero, Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; ArgentinaFil: Montini Ballarin, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; ArgentinaFil: Gimenez, Juan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; ArgentinaFil: Urquiza, Santiago Adrian. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; Argentin

Development of electrospun nanofibers for biomedical applications: state of the art in Latin America

Electrospinning is a powerful processing technique with huge potential in many attractive and cutting-edge research fields. This technique allows the production of nonwoven micro/nanofibrous materials, including polymers, ceramics and metals, with a wide range of morphologies and functionalities. The highly porous electrospun scaffolds are ideal for biomedical applications, in particular for tissue engineering and drug delivery of biologically active compounds. In this review, we summarize the works on electrospun micro/nanofibers for biomedical applications carried out by research groups from Latin American countries. Studies are mainly focused on nanofibrous polymeric systems for drug delivery of therepeutic and bioactive agents, tissue engineering scaffolds and sensors, as well as other biomedical applications.Fil: Caracciolo, Pablo Christian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico - CONICET - Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina;Fil: Cortez Tornello, Pablo Roberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico - CONICET - Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina;Fil: Montini Ballarin, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico - CONICET - Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina;Fil: Abraham, Gustavo Abel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico - CONICET - Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina