Dissertação de doutoramento em Engenharia BiomédicaBypass surgery is a vascular surgeon’s fundamental tool in the treatment of some arterial and venous diseases, many of which are caused by atherosclerosis. The procedure uses a vascular graft to replace, bypass or maintain function of damaged, occluded or diseased blood vessels. The most common approach is to use a native vessel, such as the saphenous vein, from the patient as the bypass conduit. Alternatively, when an autologous vessel is not available due to progression of the disease or prior surgeries, synthetic alternatives are used. However, the current synthetic alternatives have been plagued with little success in small caliber vessels (<6mm).
Bacterial cellulose (BC) has been presented as an alternative material for the production of a vascular graft. It presents good mechanical characteristics allied with non-thrombogenicity, hemo- and biocompatibility. Several methods have been suggested in the literature that allow the production of tubular BC grafts. The work developed and presented in this thesis had two aims: further development and performance enhancement of a current production method and also, the development of a new and effective method for graft production.
A current, and common, method of graft production takes advantage of the way in which the Gluconacetobacter bacteria produces BC at air-culture medium interfaces. By providing an oxygen permeable tubular scaffold it is possible to produce tubular BC constructs. However, the tubular BC constructs produced in this method were found to be lacking in mechanical strength. Towards enhancing their performance a nanocomposite of BC and poly(vinyl alcohol) (PVA) was developed.
Blood contacting materials have necessarily to be able to perform well in regards to their hemocompatibility and thrombogenicity and, as such, the BC/PVA nanocomposite was so tested, as well as BC. The standard characterization of the whole blood clotting time, plasma recalcification and hemolysis index were all determined. In addition, as a more in depth analysis, complement system and Factor XII activation along with a detailed characterization of platelet adhesion and activation was also assessed. Results suggested that both BC and BC/PVA induced low levels of Factor XII and platelet activation and this is possibly the main cause for the good hemocompatibility presented by of both materials. The presence of PVA in the nanocomposite did not hinder the hemocompatibility of BC, in some cases adding to the performance of the material.
Along with the, aforementioned, necessary characterization of the BC/PVA nanocomposite, the mechanical and morphological characteristics of the material were also tested and shown to be significantly different in terms of fiber structure and organization upon drying. The performance of the nanocomposite regarding mechanical characteristics was expected to outperform those of BC. However, the tensile tests performed suggested otherwise. A more detailed morphological analysis of BC/PVA showed that, once dried, the fiber structure changed dramatically; presenting two very distinct, dense and porous, regions. These structural characteristics were found to be associated with a heterogeneous distribution of PVA throughout the nanocomposite which affected the mechanical performance and permeability of the dried nanocomposite.
Finally, through the course of several developmental stages of the graft, an alternative method of production that allied both technical facility and low cost was discovered. This method was able of outperforming the previous iteration of the BC grafts and was, later, shown to be a viable and cost effective method of graft production. The grafts produced by this novel method allowed for mechanically strong and yet compliant grafts to be produced, as was demonstrated by the mechanical characterization performed, in a reproducible way. Continued characterization showed a luminal topography similar to that of a native vessel, far exceeding ePTFE and Dacron in this regard. Additionally, an important mechanical characteristic; and frequent cause of graft failure, compliance was also determined and shown to be comparable on the luminal surface when compared to native arteries and again outperforming the current industry standards. The grafts were later shown to perform well in vivo in pigs. Surgical implantation was performed in a femoro-femoral arterial bypass bridge to study the in vivo viability of the graft. Results demonstrated patency after 1 month of implantation with the presence of an endothelial cell population on the luminal surface of the graft.Cirurgia de bypass é uma ferramenta fundamental no tratamento de algumas doenças arteriais e venosas, muitas destas doenças causadas por aterosclerose. Este procedimento utiliza uma prótese vascular para substituir, formar uma ponte ou manter o funcionamento de um vaso danificado, obstruído ou doente. O processo mais comum utiliza um vaso nativo, como a veia safena, como a prótese vascular. Quando um vaso autólogo não estiver disponível, devido à progressão natural da doença ou cirurgias anteriores, utilizam-se alternativas sintéticas. Contudo, as actuais alternativas sintéticas têm obtido pouco sucesso em vasos de pequeno calibre (<6mm).
Celulose bacteriana (BC) apresenta-se como uma alternativa para a produção de próteses vasculares. Apresenta boas características mecânicas aliadas a não-trombogenicidade, hemo- e biocompatibilidade. Vários métodos de produção de vasos de celulose bacteriana têm sido propostos na literatura. O trabalho desenvolvido e apresentado nesta tese teve dois objectivos: continuar o desenvolvimento e melhorar o desempenho dos actuais métodos de produção, bem como, o desenvolvimento de uma nova e eficaz maneira de produzir próteses.
O actual e mais comum, método de produção aproveita a forma como as bactérias do género Gluconacetobacter produzem BC nos interfaces ar-meio de cultura. Utilizando um suporte tubular permeável a oxigénio é possível produzir estruturas tubulares de celulose. Contudo, as estruturas tubulares produzidas por estes métodos demonstraram fracas propriedades mecânicas. Com o objectivo de melhorar o desempenho mecânico desenvolveu-se um nanocompósito de BC e poli(vinil álcool) (PVA).
Materiais que contactam com sangue têm que ser capazes de ter um bom desempenho em termos de hemocompatibilidade e trombogenicidade e como tal, o nanocompósito de BC/PVA, bem como a BC, foram testadas. Foi feita a caracterização do tempo de coagulação de sangue total, recalcificação do plasma e índice de hemólise. Para além destes, foi analisada a activação do sistema de complemento e Factor XII bem como uma caracterização detalhada da adesão e activação de plaquetas. Os resultados sugerem que a BC e o BC/PVA, induzem baixos níveis de activação do Factor XII e plaquetas, o que poderá ser a principal razão pela boa hemocompatibilidade apresentada pelos materiais. A presença de PVA no nanocompósito não afecta a hemocompatibilidade da BC, em alguns casos até melhorando o seu desempenho.
Para além desta caracterização do BC/PVA, o nanocompósito foi caracterizado a nível mecânico e morfológico e os resultados mostraram diferenças significativas em termos de estrutura e organização das fibras após secagem. Esperava-se que o desempenho do nanocompósito, em termos de características mecânicas, seria superior à BC, no entanto isto não se veio a verificar. Uma análise morfológica mais detalhada do BC/PVA mostrou que, após secagem, a estrutura das fibras sofre alterações profundas; apresentando duas regiões distintas, uma densa e outra porosa. Estas distintas regiões devem-se à distribuição heterogénea do PVA no nanocompósito, por seu turno, afecta o desempenho mecânico e permeabilidade do nanocompósito seco.
Por fim, a longo do curso de várias fases de desenvolvimento das próteses, foi descoberto um método alternativo de produção que aliava facilidade técnica e baixo custo. Este método mostrou ser capaz de produzir próteses melhores que todas as versões anteriores e, mais tarde, mostrou ser um método de produção viável e de baixo-custo. As próteses produzidas por este método novo permitem obter forças mecânicas superiores sem perder a complacência do material, como foi demonstrado pela caracterização mecânica, de forma reprodutível. A continuada caracterização das próteses mostrou uma topografia luminal semelhante ao dos vasos nativos, superando o ePTFE e o Dacron. Adicionalmente, uma importante característica mecânica, e frequente causa de falha das próteses, a complacência foi também determinada e mostrou ser comparável à complacência da superfície luminal de artérias nativas, tendo portanto um melhor desempenho que as próteses industriais actuais. As próteses mostraram, mais tarde, ter também um bom desempenho in vivo em porcos. As próteses foram implantadas numa ponte femoral de forma a estudar a viabilidade in vivo. Os resultados obtidos demonstraram patência ao fim de 1 mês de implantação com a presença de células endoteliais na superfície luminal da prótese