Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Atherosclerosis is the number one cause of death in the United States and one of the most common treatments is the implantation of a stent. In order to eliminate the two most common complications - restenosis and thrombosis - a novel covered stent is investigated. A covered stent membrane should be able to undergo large stretch, prevent restenosis, and be relatively non-thrombogenic. Polyvinyl alcohol (PVA) cryogels are examined as a candidate material for covered stent membranes. Mechanical testing included uniaxial tensile testing, puncture testing, and the fabrication and expansion of PVA cryogel covered stents. Uniaxial testing showed PVA cryogels to have sufficient ultimate stretch which was similar to bare metal stents during deployment. Puncture testing revealed that PVA cryogels are not likely to puncture in vivo. No tears were seen in the PVA cryogel membrane after expansion of the covered stents. Finite element analysis was used to determine a PVA cryogel membrane's effect on artery wall stress. PVA cryogel covered stents reduced both artery wall stress and tissue prolapse when compared to equivalent uncovered stents. Migration assays were used to determine if PVA cryogels are able to block the smooth muscle cell migration seen during restenosis. PVA cryogels significantly reduced cellular migration in modified Boyden chambers - suggesting that they would be able to prevent restenosis in vivo. Thrombogenicity was tested in vitro with a gravity-fed flow loop using porcine blood and in vivo with a sheep model. PVA cryogels were found to be less thrombogenic than polyester controls with the flow loop system. The sheep study demonstrated the feasibility of implanting PVA cryogel covered stents and good early patency. After explantation, the PVA cryogel membranes were intact - providing in vivo evidence for the durability of PVA cryogel covered stents. Overall, this work provides evidence that covered stents made with PVA cryogels are a feasible device in terms of their mechanics, ability to prevent restenosis, and low thrombogenicity. This work represents a major advancement in the development of PVA cryogel covered stents and provides necessary safety and feasibility data for future clinical trials.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine erste Bewertung eines neu entwickelten Cryogels auf Basis von acrylierter Hyaluronsäure für den Einsatz als künstliche Extrazellulärmatrix (ECM) zur Unterstützung des Wundheilungsprozesses. Zu diesem Zweck wurden die Cryogele bis zu einer Dauer von 4 Wochen mit Fibroblasten, die neben Keratinozyten, Endothel- und Immunzellen eine besondere Rolle für den Wundverschluss spielen, kultiviert. Dadurch konnten grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich der Proliferation, Migration und Matrixsynthese gewonnen werden Ein maßgeblicher Bestandteil war dabei auch die Untersuchung der Genexpression von Kollagen-1 (coll-1), Hyaluronsynthase-2 (HAS-2) und Matrixmetalloproteinase-1(MMP-1) nach Stimulation mit den wundheilungsassoziierten Zytokinen Transforming Growth Factor β (TGF-β ) und Platelet Derived Growth Factor BB (PDGF-BB). Die Produkte der drei Gene spielen für den Wundheilungsprozess eine entscheidende Rolle, da sie wesentlich am Auf- und Umbau der ECM beteiligt sind. Zudem wurden in der Versuchsplanung die Auswirkungen auf Morphologie und Funktion der Fibroblasten bei 3-dimensionaler Kultur im Vergleich zur 2-dimensionalen Monolayerkultur berücksichtigt. Um eine bestmögliche Vergleichbarkeit zu erreichen, wurde aus diesem Grund ein 3-dimensionales Kollagengel als Kontrollmodell genutzt. Die Ergebnisse spiegeln ein physiologisches Verhalten von Fibroblasten bei Kultur in den Cryogelen wider. Die Zellen adhärieren an der Gelstruktur, proliferieren und verteilen sich im Cryogel, indem sie in die Tiefe wandern. In den mikroskopischen und makroskopischen Färbungen zeigt sich eine kontrollierte Neusynthese von ECM. Die Applikation von TGF-β und PDGF-BB führt zu einer adäquaten Reaktion der Fibroblasten und einer Regulation des Matrixstoffwechsels. Die Ergebnisse sind mit denen aus einem 3-dimensionalen Kollagengelmodell vergleichbar und stimmen im Wesentlichen mit der Literatur zur Wirkung der beiden Zytokine auf Monolayerkulturen von Fibroblasten überein. Messungen zeigen eine leichte Zunahme der Porengröße der Cryogele im zeitlichen Verlauf, was möglicherweise auf einen Abbau durch die Fibroblasten hindeutet. Die Stabilität der Gele wird dadurch jedoch nicht merklich beeinflusst. Durch ihre Zusammensetzung und grundlegende Struktur sowie den damit verbundenen Eigenschaften ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten sowohl im klinisch-therapeutischen Bereich als auch in der Forschung.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Physiologische Wundheilung 1.2. Phasen der Wundheilung 1.2.1. Exsudative Phase 1.2.2. Resorptive Phase 1.2.3. Proliferationsphase 1.2.4. Reparation/Regeneration 1.3. Rolle der Fibroblasten während der Wundheilung 1.4. Einfluss ausgewählter Zytokine auf die Wundheilung 1.5. Rolle der ECM während der Wundheilung 1.5.1. Kollagen 1.5.2. Hyaluronsäure und Hyaluronsynthasen 1.5.3. Matrixmetalloproteinasen 1.6. Probleme bei der Wundheilung und Folgen komplizierter Wunden 1.6.1. Die Brandverletzung - ein Sonderfall der akuten Wunde 1.6.2. Chronische Wunden 1.6.3. Folgen von Wunden und pathologischer Narbenbildung 1.7 Funktionelle Biomaterialien 1.8. Fragestellung und Ziele der Arbeit 2. Materialien 2.1. Nährmedien und Zusätze 2.2. Antikörper, Enzyme und Wachstumsfaktoren 2.3. Chemikalien und andere Substanzen 2.4. Verbrauchsmaterialien 2.5. Geräte 3. Methoden 3.1. Methoden der Zellkultivierung 3.1.1. Isolierung humaner Fibroblasten aus Haut 3.1.2. Dispaseverdau 3.1.3. Kollagenaseverdau 3.1.4. Passagieren der Zellen 3.1.5. Bestimmung der Zellzahl 3.1.6. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten auf Cryogelen aus acrylierter Hyaluronsäure 3.1.7. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten in Gelen aus Kollagen Typ I 3.1.8. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten auf einer Kollagenbeschichtung für die XTT-Messung 3.2. Molekularbiologische Methoden 3.2.1. Isolation der RNA aus Fibroblasten in den Cryogelen aus acrylierter Hyaluronsäure 3.2.2. Isolation der RNA aus Fibroblasten im Kollagengel 3.2.3. Reverse Transkription in cDNA 3.2.4. Die quantitative Real-Time-Polymerasekettenreaktion 3.2.5. XTT-Assay zum Nachweis von Proliferation und metabolischer Aktivität 3.3. Histologische Methoden 3.3.1. Anfertigen von Paraffinschnitten 3.3.2. Färbemethoden der Paraffinschnitte 3.3.3. Immunhistochemie PCNA 3.4. Auswertung der Paraffinschnitte 3.5. Färbung von Gelen mit Siriusrot 3.6. Statistische Auswertung 4. Ergebnisse 4.1. Eigenschaften der Gele 4.2. Histologische Auswertung 4.2.1. Fibroblasten lassen sich im HA-Gel kultivieren 4.2.2. Fibroblasten proliferieren im HA-Gel 4.2.3. Fibroblasten bilden Kollagen und lagern dieses im Gel ein 4.2.4. Messung der Porengröße 4.3. Untersuchung der Stoffwechselaktivität und Proliferation 4.4. Analyse der Genexpression der Fibroblasten nach Stimulation mit TGF-β und PDGF-BB 4.4.1. Untersuchung der Genexpression von Kollagen Typ I 4.4.2. Untersuchung der Genexpression von HAS-2 4.4.3. Untersuchung der Genexpression von MMP-1 4.5. Zusammenfassung der Ergebnisse 5. Diskussion 5.1. Epidemiologie dermaler Verletzungen und die Notwendigkeit neuer Therapien 5.2. Interaktionen der Zellen mit ihrer Umgebung - die Rolle der Kulturbedingungen 5.3. Cryogele aus Hyaluronsäure – ein geeignetes Substrat für die in vitro Kultur von Fibroblasten 5.4. Der Einfluss von TGF-β 1 und PDGF-BB auf den Matrixstoffwechsel der Fibroblasten 5.5. Mögliche Anwendungs- und Entwicklungsmöglichkeiten für Cryogele aus Hyaluronsäure 5.6. Klinische Relevanz der Cryogele in Anlehnung an die derzeitig gültigen Leitlinien 5.7. Fazit Zusammenfassung der Arbeit Literaturverzeichnis Anlagen Histologische Bilder der Alcianblau-HE-Färbung Eigenständigkeitserklärung Lebenslauf Danksagung / Die erhobenen Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die Zusammensetzung, Struk-tur und damit verbundenen grundlegenden Eigenschaften die Cryogele zu einem geeig-neten Substrat für die 3-dimensionale in vitro Kultur von Fibroblastenmachen. Aus der Literatur ist bekannt, dass eine Besiedelung ähnlich gearteter Hydrogele auch mit anderen Zelltypen möglich ist. Daraus ergeben sich Optionen sowohl für die Anwendung im klinisch-therapeutischen Bereich als auch in der Forschung. Die statistischen Daten verdeutlichen den Innovati-onsbedarf für die Therapie chronischer Wunden und für Alternativen zu Voll-und Spalt-hauttransplantaten bei der Behandlung großflächiger Brandverletzungen. Um für die Be-handlung beider Wundentitäten in Betracht zu kommen, müssen Materialien zur Wund-versorgung den Anforderungen der aktuellen Therapieleitlinien gerecht werden. Aufgrund des natürlichen Vorkommens von Hyaluronsäure im dermalen Gewebe und der Möglichkeit dem körpereigenen Um-und Abbau unterworfen werden zu können, haben die Cryogele entscheidende Vorteile gegenüber bereits zugelassener Materialien, die syn-thetischen oder tierischen Ursprungs sind und nicht selten Allergien oder Fremdkörper-reaktionen hervorrufen. Weitere Eigenschaften der Cryogele lassen vermuten, dass sie mit Hilfe einiger Modifikationen den Kriterien der Leitlinien entsprechen könnten. Die 2-dimensionale Monolayerzellkultur stößt als Forschungsmedium immer dann an ihre Grenzen, wenn die erhobenen Ergebnisse nicht auf die Verhältnisse in vivo übertrag-bar sind. 3-dimensionale Zell-Zell-und Zell-Matrixkontakte sind die Grundlage für eine korrekte Zellfunktion, weswegen die Forderung nach einer Matrix für den Einsatz in der Zellforschung, die die physiologischen Verhältnisse so gut wie möglich abbilden kann, immer präsenter wird. Die Besiedlung der Cryogele aus Hyaluronsäure und anschlie-ßende Untersuchung mit unterschiedlichen Methoden erwies sichim Wesentlichen als unkompliziert. Darüber hinaus zeigten die ausgesäten Fibroblasten eine adäquates Wachstums-und Matrixsyntheseverhalten, weswegen eine Nutzung zu Forschungszwe-cken denkbar erscheint. Die gewonnen Erkenntnisse sowie die in der Diskussion behandelte Literatur und aufgezeigten Möglichkeiten zur Weiterentwicklung der Cryo-gele bilden die Basis für die Planung weiterer und richtungsspezifischerer Untersuchungen.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Physiologische Wundheilung 1.2. Phasen der Wundheilung 1.2.1. Exsudative Phase 1.2.2. Resorptive Phase 1.2.3. Proliferationsphase 1.2.4. Reparation/Regeneration 1.3. Rolle der Fibroblasten während der Wundheilung 1.4. Einfluss ausgewählter Zytokine auf die Wundheilung 1.5. Rolle der ECM während der Wundheilung 1.5.1. Kollagen 1.5.2. Hyaluronsäure und Hyaluronsynthasen 1.5.3. Matrixmetalloproteinasen 1.6. Probleme bei der Wundheilung und Folgen komplizierter Wunden 1.6.1. Die Brandverletzung - ein Sonderfall der akuten Wunde 1.6.2. Chronische Wunden 1.6.3. Folgen von Wunden und pathologischer Narbenbildung 1.7 Funktionelle Biomaterialien 1.8. Fragestellung und Ziele der Arbeit 2. Materialien 2.1. Nährmedien und Zusätze 2.2. Antikörper, Enzyme und Wachstumsfaktoren 2.3. Chemikalien und andere Substanzen 2.4. Verbrauchsmaterialien 2.5. Geräte 3. Methoden 3.1. Methoden der Zellkultivierung 3.1.1. Isolierung humaner Fibroblasten aus Haut 3.1.2. Dispaseverdau 3.1.3. Kollagenaseverdau 3.1.4. Passagieren der Zellen 3.1.5. Bestimmung der Zellzahl 3.1.6. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten auf Cryogelen aus acrylierter Hyaluronsäure 3.1.7. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten in Gelen aus Kollagen Typ I 3.1.8. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten auf einer Kollagenbeschichtung für die XTT-Messung 3.2. Molekularbiologische Methoden 3.2.1. Isolation der RNA aus Fibroblasten in den Cryogelen aus acrylierter Hyaluronsäure 3.2.2. Isolation der RNA aus Fibroblasten im Kollagengel 3.2.3. Reverse Transkription in cDNA 3.2.4. Die quantitative Real-Time-Polymerasekettenreaktion 3.2.5. XTT-Assay zum Nachweis von Proliferation und metabolischer Aktivität 3.3. Histologische Methoden 3.3.1. Anfertigen von Paraffinschnitten 3.3.2. Färbemethoden der Paraffinschnitte 3.3.3. Immunhistochemie PCNA 3.4. Auswertung der Paraffinschnitte 3.5. Färbung von Gelen mit Siriusrot 3.6. Statistische Auswertung 4. Ergebnisse 4.1. Eigenschaften der Gele 4.2. Histologische Auswertung 4.2.1. Fibroblasten lassen sich im HA-Gel kultivieren 4.2.2. Fibroblasten proliferieren im HA-Gel 4.2.3. Fibroblasten bilden Kollagen und lagern dieses im Gel ein 4.2.4. Messung der Porengröße 4.3. Untersuchung der Stoffwechselaktivität und Proliferation 4.4. Analyse der Genexpression der Fibroblasten nach Stimulation mit TGF-β und PDGF-BB 4.4.1. Untersuchung der Genexpression von Kollagen Typ I 4.4.2. Untersuchung der Genexpression von HAS-2 4.4.3. Untersuchung der Genexpression von MMP-1 4.5. Zusammenfassung der Ergebnisse 5. Diskussion 5.1. Epidemiologie dermaler Verletzungen und die Notwendigkeit neuer Therapien 5.2. Interaktionen der Zellen mit ihrer Umgebung - die Rolle der Kulturbedingungen 5.3. Cryogele aus Hyaluronsäure – ein geeignetes Substrat für die in vitro Kultur von Fibroblasten 5.4. Der Einfluss von TGF-β 1 und PDGF-BB auf den Matrixstoffwechsel der Fibroblasten 5.5. Mögliche Anwendungs- und Entwicklungsmöglichkeiten für Cryogele aus Hyaluronsäure 5.6. Klinische Relevanz der Cryogele in Anlehnung an die derzeitig gültigen Leitlinien 5.7. Fazit Zusammenfassung der Arbeit Literaturverzeichnis Anlagen Histologische Bilder der Alcianblau-HE-Färbung Eigenständigkeitserklärung Lebenslauf Danksagung

In radiation therapy, gel dosimetry is used to measure radiation doses for treatment verification. Gel dosimeters have the ability to record dose information in three dimensions. The objective of this thesis was to fabricate a transparent cryogel radiochromic dosimeter with poly(vinyl alcohol) (PVA) as the gelling agent. A transparent dosimeter may be analyzed using an optical read out technique, which is desirable. PVA cryogels can be made transparent by adding dimethyl sulfoxide (DMSO). Measurements of dose response were performed and various parameters were adjusted, including: numbers of freeze-thaw cycles (FTCs); concentrations of PVA; DMSO concentration. The measured absorption coefficient increased linearly with dose up to approximately 10 Gy. The sensitivity was increased for higher PVA concentrations, larger numbers of FTCs, and less DMSO. The resulting dosimeter was stable and showed no significant dose rate or photon energy dependence. The cryogels were later formed into 5 mm thick films and used as a tool for performing in vivo dosimetry. The dose response of the radiochromic bolus was characterized by irradiating it on a flat surface at different gantry angles. The dose measured in the bolus was approximately 0.80 of the dose measured by Gafchromic film at the skin surface, taking the obliquity into account. IMRT treatments were delivered to a RANDO phantom. The radiochromic bolus was used to measure skin surface dose in two dimensions at various locations. The 0.80 factor was used to calibrate the bolus, which was then compared to an accompanying film measurement. Good agreement was observed between the measurements (>95% gamma pass rate), suggesting the radiochromic bolus may be suitable for in vivo applications. The radiochromic bolus was then used to evaluate errors associated with the breath hold technique often used with left chest wall tangential irradiation. Treatment plan incorporating the radiochromic bolus was delivered at the planned position and shifted anterior-posteriorly (A/P) up to 5 mm. Large discrepancies from the planned two dimensional skin surface distribution were observed for shifts as small as 3 mm in the A/P direction. The study demonstrated that the cryogel was sensitive to small positioning uncertainties for chest wall irradiations, potentially allowing for the detection of clinically relevant errors. Other potential formulations of PVA-based radiochromic cryogels are discussed briefly as avenues to future research projects. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Various methods for extraction and analysis of high value minor proteins (lactoferrin, lactoperoxidase and immunoglobulins) directly from raw milk were explored. Extraction, purification and analysis of high-value minor proteins directly from milk without pre-treatment are major challenges for dairy industry, largely due to the complexity of milk and the presence of colloidal solids (casein micelles and milk fat globules). To overcome some of these challenges, this work focused on three main objectives: 1) characterization of cryogel monolith chromatography for purification of lactoferrin (LF) and lactoperoxidase (LP) directly from raw milk in single step, 2) identification and characterization of Protein A Mimetic affinity ligands for purification of immunoglobulins (Igs) from milk and 3) development and validation of a surface plasmon resonance method for simultaneous quantification of five whey proteins in multiple samples. Results portrayed the possibility of 40–50 column volumes of various milk samples (whole milk, skim milk and acid whey) to pass through a 5 mL cryogel monolith chromatography column at 525 cm hr⁻¹ without exceeding its pressure limits if the processing temperature is maintained around 35–37°C. Ideally, this should be the milk secretion temperature. The dynamic binding capacity obtained for the cryogel matrix (2.1 mg mL⁻¹) was similar to that of the binding capacity (2.01 mg mL⁻¹) at equilibrium with 0.1 mg mL⁻¹ of lactoferrin in the feed samples. Lactoferrin and lactoperoxidase was selectively bound to the cryogel column with trivial leakage in flowthrough fractions. Lactoferrin was recovered from elution fractions with a yield of 85% and a purity of 90%. These results, together with the ease of manufacture, low cost and versatile surface chemistry of cryogels suggest that they may be a good alternative to packed-bed chromatography for direct capture of proteins from milk, provided that the binding capacity can be increased. A Protein A Mimetic (PAM) hexapeptide (HWRGWV) peptide ligand that binds to the Fc portion of antibody molecules was explored for affinity purification of immunoglobulins from milk. The peptide has the ability to purify IgG from various milk and whey samples with a purity of greater than 85% in single step. More than 90% bound IgG was recovered with 0.2 M acetate buffer at pH 4.0 and total column regeneration was successfully achieved by 2.0 M guanidine-HCl. At 9.0 mg mL⁻¹ of IgG feed concentration, an equilibrium binding capacity of 21.7 mg mL⁻¹ and dynamic binding capacity of approximately 12.0 mg mL⁻¹ of resin was obtained. Recoveries and yields of IgG were significantly influenced by the feed IgG concentration. PAM hexamer ligand also contributed a significant amount of cross-reactivity with casein, glycomacropeptides and β-lactoglobulin proteins, however majority of these proteins were recovered in the regeneration step, except β-lactoglobulin, which co-eluted with IgG. Higher IgG concentration in feed vastly reduced the amount of cross-reactivity whilst increasing the recoveries and purities in the final product. PAM affinity ligands also showed interactions towards other classes of bovine immunoglobulins. These findings established the possibility of using PAM hexamer peptide as an alternative to conventional Protein A/G affinity chromatography for the isolation of Igs from milk in single step process. A surface plasmon resonance (SPR) method was developed for simultaneous, quantitative determination of commercially important whey proteins in raw and processed milk samples, whey fractions and various milk-derived products, with six samples per assay. Immobilized antibody stability and reproducibility of analyses were studied over time for 25 independent runs (n=300), giving a relative standard deviation (RSD) of <4%. Immobilized antibodies showed negligible non-specific interactions (<2–4 SPR response units (RU)) and no cross-reactivity towards other milk components (<1 RU). Regeneration of immobilised antibodies with glycine at pH 1.75 was determined to be optimal for maintaining the SPR response between samples. This method compared and validated well with reversed phase high performance liquid chromatography (RP-HPLC) and standard enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA).

In the first part of this work, silica nanoparticles and alternative or additional filler phases were incorporated into hydrogels based on the temperature-sensitive poly(N- isopropylacrylamide) (PNIPAm). Nano-SiO2-filled porous PNIPAm hydrogels with an enhanced force response (up to 100 g) to temperature stimuli were obtained by increasing several times the pore wall thickness, which was achieved via reducing the solvent (porogen) content during the gels' cryo-synthesis. A similar optimization of the force response was also carried out for analogous gels reinforced by nano-TiO2, in which the reinforcing effect of the filler is weaker. Partial intercalation of amylopectin starch into divinyl-crosslinked bulk as well as porous PNIPAm gels several times improved their extensibility. In case of starch-rich bulk gels, a very fast and extensive one-way deswelling in response to increased temperature was achieved (re-swelling upon cooling is much slower), which is attributed to specific properties of the starch-PNIPAm interface. In doubly-filled bulk PNIPAm/nano-SiO2/starch gels, a very strong synergic reinforcing effect of both fillers is observed, due to specific hydrogen bridging between the three phases. Highly porous cryogels based on PNIPAm/nano- SiO2/starch displayed a highly improved extensibility...

Stimuli-responsive (stimuli-sensitive, intelligent, or smart) polymers are polymer materials which, after small external stimuli, evidently change their physical or chemical properties. Smart polymers can be classified according stimuli they respond to such as: temperature changes, mechanical stress, light irradiation, ultrasonic treatment, application of external magnetic as well as electric field, changes of pH, ionic strength, addition of the chemical agents and presence of biomolecules and bioactive molecules. Stimuli-responsive synthetic polymer systems has attracted considerable attention due to wide range of applications, i.e. controlled drug delivery and release systems, diagnostics, tissue engineering and 'smart' optical systems, as well as biosensors, microelectromechanical systems, coatings, and textiles. Among the types of stimuli for this dissertation temperature, pH and reactive oxygen species (ROS) responsive polymer systems were studied. In case of thermoresponsive polymers, when polymer chains are molecularly dissolved in a good solvent, changes (increasing or decreasing) of temperature result in insolubility (globular nanoparticles formation) of polymer chains, called temperature induced phase-separation. pH responsive polymers change properties such as: solubility, volume (gels),...

In this paper we present a comparison of aerogels which are dried under different conditions. Of those, most important are the solvent, temperature, and pressure. Criteria of comparison rely mostly on results from analysis of nitrogen adsorption experiments, as well as transmission electron microscopy imaging. Platinum loaded indium oxide aerogels were picked as a model system for this study as they can be used as highly effective heterogeneous catalysts in methanol steam reforming. The compared drying methods include supercritical drying from CO2, supercritical CO2 - ethanol mixture, freeze drying from tert-butanol and ambient conditions drying from acetone and 1-Methoxyheptafluoropropane. High porosities and large specific surface areas can be achieved via supercritical, freeze- and ambient conditions drying, while retaining the original gel morphology in this system for most methods except freeze drying and ambient conditions drying from acetone.

Peripheral vascular grafts are used for the treatment of peripheral arterial disease and arteriovenous grafts for vascular access in end stage renal disease. The development of neo-intimal hyperplasia and thrombosis in the distal anastomosis remains the main reason for occlusion in that region. The local haemodynamics produced by a graft in the host vessel is believed to significantly affect endothelial function. Single spiral flow is a normal feature in medium and large sized vessels and it is induced by the anatomical structure and physiological function of the cardiovascular system. Grafts designed to generate a single spiral flow in the distal anastomosis have been introduced in clinical practice and are known as spiral grafts. In this work, spiral peripheral vascular and arteriovenous grafts were compared with conventional grafts using ultrasound and computational methods to identify their haemodynamic differences. Vascular-graft flow phantoms were developed to house the grafts in different surgical configurations. Mimicking components, with appropriate acoustic properties, were chosen to minimise ultrasound beam refraction and distortion. A dual-beam two-dimensional vector Doppler technique was developed to visualise and quantify vortical structures downstream of each graft outflow in the cross-flow direction. Vorticity mapping and measurements of circulation were acquired based on the vector Doppler data. The flow within the vascular-graft models was simulated with computed tomography based image-guided modelling for further understanding of secondary flow motions and comparison with the experimental results. The computational assessments provided a three-dimensional velocity field in the lumen of the models allowing a range of fluid dynamic parameters to be predicted. Single- or double-spiral flow patterns consisting of a dominant and a smaller vortex were detected in the outflow of the spiral grafts. A double- triple- or tetra-spiral flow pattern was found in the outflow of the conventional graft, depending on model configuration and Reynolds number. These multiple-spiral patterns were associated with increased flow stagnation, separation and instability, which are known to be detrimental for endothelial behaviour. Increased in-plane mixing and wall shear stress, which are considered atheroprotective in normal vessels, were found in the outflow of the spiral devices. The results from the experimental approach were in agreement with those from the computational approach. This study applied ultrasound and computational methods to vascular-graft phantoms in order to characterise the flow field induced by spiral and conventional peripheral vascular and arteriovenous grafts. The results suggest that spiral grafts are associated with advanced local haemodynamics that may protect endothelial function and thereby may prevent their outflow anastomosis from neo-intimal hyperplasia and thrombosis. Consequently this work supports the hypothesis that spiral grafts may decrease outflow stenosis and hence improve patency rates in patients.