Orientador: Marcos Akira D'Ávila / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T13:08:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DavilaSanchez_JoseLuis_M.pdf: 7833063 bytes, checksum: 1e3a93b9b918ec86f9810207586b8fad (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A engenharia tecidual é uma linha de pesquisa que emerge como a sinergia entre diferentes ramos da ciência. É orientada à obtenção de estruturas com características semelhantes à matriz extracelular (ECM) de diferentes órgãos e tecidos, com o objetivo de reparar, regenerar ou restaurar tecido danificado. Surge como uma solução viável para diferentes problemas de saúde, que com tratamentos convencionais têm limitações, principalmente devido à pequena quantidade de doadores. As estruturas que imitam as características da ECM são chamadas de scaffolds. A manufatura aditiva permite fabricar scaffolds com geometria controlada e 100% de interconectividade, mediante a aplicação progressiva de camadas de material. Neste trabalho foram fabricados scaffolds de policaprolactona (PCL) e scaffolds de compósitos de matriz PCL reforçados com ? fosfato tricálcico (?-TCP) para aplicações em tecido ósseo. Foram utilizadas composições de 10, 20 e 30% em peso de reforço. Primeiramente foram definidos os parâmetros de processamento, além disso, foi realizada a caracterização reológica do PCL mediante reometria capilar. Seguidamente foram fabricados scaffolds utilizando o processo de impressão 3D por rosca de extrusão, desenvolvido no Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI). Para a fabricação dos scaffolds foi desenvolvido um software que permite gerar trajetórias de impressão contínuas em curtos tempos. Posteriormente, foram caracterizadas as propriedades térmicas mediante a análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria exploratória diferencial (DSC), a morfologia dos scaffolds utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microtomografia computadorizada (Micro-CT), a presença do reforço mediante difração de raios-X (XRD) e a estrutura química mediante espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). A caracterização mecânica foi realizada mediante o ensaio de compressão e a caracterização das propriedades hidrofílicas mediante a medição do ângulo de contato. Finalmente foi feito o ensaio de citotoxicidade in vitro. Os scaffolds fabricados apresentaram boas características morfológicas e propriedades dentro da faixa de aplicações em tecido ósseo. O ensaio de citotoxicidade in vitro mostrou que os scaffolds fabricados têm potencial para serem utilizados em aplicações em tecido ósseo / Abstract: Tissue engineering emerges as the synergy between different scientific fields. Its main objective is to repair, regenerate or restore damaged tissues or organs through the fabrication of structures with similar characteristics to the extracellular matrix (ECM). It is a viable solution to health problems, because conventional treatments have limitations, mainly due to the small number of donors. Structures that mimic the ECM characteristics are known as scaffolds. Additive manufacturing enables the fabrication of scaffolds with controlled geometry and 100% of interconnectivity through the progressive application of material layers. In this work, polycaprolactone (PCL) and PCL composites reinforced with ? tricalcium phosphate (?-TCP) were manufactured for bone tissue applications. Compositions of 10, 20 and 30% by weight of ?-TCP were used. Initially, processing parameters were determined. Furthermore, rheological properties of PCL were obtained by capillary rheometry. Then scaffolds were fabricated by 3D mini-screw extrusion printing, which was developed at the Renato Archer Information Technology Center (CTI). To fabricate scaffolds in short times and with continuous path, generator software was developed. Subsequently, thermal properties were obtained by thermal gravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC), scaffolds morphology using computed microtomography (Micro-CT) and scanning electron microscopy (SEM), the reinforcement presence by X-ray diffraction (XRD) and chemical structure by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Mechanical characterization was performed by compression test and hydrophilic properties were studied by measuring the contact angle of water drops. Finally, cytotoxicity in vitro assay was performed. The fabricated scaffolds have good characteristics and suitable properties. Cytotoxicity in vitro assay shows that the scaffolds have potential for bone tissue applications / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Poly (caprolactone) (PCL) has been widely studied as a model system for investigating polymer crystallization. In this thesis, PCL crystallization along with other phase transitions in PCL-based polymer blends are studied as Langmuir films at the air/water (A/W) interface. In order to understand the phase behavior of PCL-based blends, surface pressure induced crystallization of PCL in single-component Langmuir monolayers was first studied by Brewster angle microscopy (BAM). PCL crystals observed during film compression exhibit butterfly-shapes. During expansion of the crystallized film, polymer chains detach from the crystals and diffuse back into the monolayer as the crystals "melt". Electron diffraction on Langmuir-Schaefer films suggests that the lamellar crystals are oriented with the chain axes perpendicular to the substrate surface, while atomic force microscopy (AFM) reveals a crystal thickness of ~ 7.6 nm. In addition, the competition between lower segmental mobility and a greater degree of undercooling with increasing molar mass produces a maximum average growth rate at intermediate molar mass. PCL was blended with poly(t-butyl acrylate) (PtBA) to study the influence of PtBA on the morphologies of PCL crystals grown in monolayers. For PCL-rich blends, BAM studies reveal dendritic morphologies of PCL crystals. The thicknesses of the PCL dendrites are ~ 7-8 nm. BAM studies during isobaric area relaxation experiments at different surface pressure reveal morphological transitions from highly branched dendrites, to six-arm dendrites, four-arm dendrites, seaweedlike crystals, and distorted rectangular crystals. In contrast, PCL crystallization is suppressed in PtBA-rich blend films. For immiscible blends of PCL and polystyrene (PS) with intermediate molar masses as Langmuir films, the surface concentration of PCL is the only factor influencing surface pressure below the collapse transition. For PS-rich blends, both BAM and AFM studies reveal that PS nanoparticle aggregates formed at very low surface pressure form networks during film compression. For PCL-rich blends, small PS aggregates serve as heterogeneous nucleation centers for the growth of PCL crystals. During film expansion, BAM images show a gradual change in the surface morphology from highly continuous networklike structures (PS-rich blends) to broken ringlike structures (intermediate composition) to small discontinuous aggregates (PCL-rich blends). / Ph. D.

Neste estudo foram avaliadas amostras de misturas poliméricas de Policarbonato (PC) e Poli--caprolactona (PCL) em diferentes concentrações após enterro em solo preparado, por períodos variando de uma a doze semanas, seguindo a Norma ASTM G 160 - 03. As amostras, após ficarem enterradas, foram retiradas do solo e analisadas por calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA), microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectrometria de absorção na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Foi observado através de avaliação morfológica que houve degradação nas amostras de PCL puro e na mistura PC/PCL (60/40). Para misturas com menores teores de PCL a degradação não foi significativa no tempo de avaliação sugerido pela norma. Após o tempo de 12 semanas em contato com o solo houve uma redução no teor de cristalinidade das amostras tanto de PCL puro quanto da mistura PC/PCL com 40% de PCL. As variações ocorridas devido à biodegradabilidade não foram suficientes para acarretar perda de resistência térmica nas amostras. Verificou-se que para avaliar a biodegradabilidade de misturas contendo o polímero biodegradável PCL, é necessária uma adaptação da Norma utilizada, aumentando o tempo de enterro das amostras / In this study samples of polycarbonate (PC) and poly(- caprolactone (PCL) blends were evaluated in different concentrations after being buried under simulation soil condition, for periods varying from one to twelve weeks, following ASTM G 160 03 methodology. The samples, after being buried, were removed from the soil and analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), termogravimetric analysis (TGA), optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). It was observed by morphological evaluation that pure PCL and PC/PCL (60/40) blend have suffered degradation. Blends with lower content of PCL did not shown significant degradation during the period of time suggested at the ASTM methodology. After 12 weeks in contact with soil, pure PCL and PC/PCL blend with 40% of PCL, had a decrease in crystalinity content. The variations in the samples due to biodegradability have not been enough to cause loss of thermal resistance in any of the tested samples. It was verified that to evaluate biodegradability of blends containing biodegradable polymer PCL, it is necessary an adaptation of the ASTM methodology, increasing the time of samples burial

Neste estudo foram avaliadas amostras de misturas poliméricas de Policarbonato (PC) e Poli--caprolactona (PCL) em diferentes concentrações após enterro em solo preparado, por períodos variando de uma a doze semanas, seguindo a Norma ASTM G 160 - 03. As amostras, após ficarem enterradas, foram retiradas do solo e analisadas por calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA), microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectrometria de absorção na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Foi observado através de avaliação morfológica que houve degradação nas amostras de PCL puro e na mistura PC/PCL (60/40). Para misturas com menores teores de PCL a degradação não foi significativa no tempo de avaliação sugerido pela norma. Após o tempo de 12 semanas em contato com o solo houve uma redução no teor de cristalinidade das amostras tanto de PCL puro quanto da mistura PC/PCL com 40% de PCL. As variações ocorridas devido à biodegradabilidade não foram suficientes para acarretar perda de resistência térmica nas amostras. Verificou-se que para avaliar a biodegradabilidade de misturas contendo o polímero biodegradável PCL, é necessária uma adaptação da Norma utilizada, aumentando o tempo de enterro das amostras / In this study samples of polycarbonate (PC) and poly(- caprolactone (PCL) blends were evaluated in different concentrations after being buried under simulation soil condition, for periods varying from one to twelve weeks, following ASTM G 160 03 methodology. The samples, after being buried, were removed from the soil and analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), termogravimetric analysis (TGA), optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). It was observed by morphological evaluation that pure PCL and PC/PCL (60/40) blend have suffered degradation. Blends with lower content of PCL did not shown significant degradation during the period of time suggested at the ASTM methodology. After 12 weeks in contact with soil, pure PCL and PC/PCL blend with 40% of PCL, had a decrease in crystalinity content. The variations in the samples due to biodegradability have not been enough to cause loss of thermal resistance in any of the tested samples. It was verified that to evaluate biodegradability of blends containing biodegradable polymer PCL, it is necessary an adaptation of the ASTM methodology, increasing the time of samples burial

Predložená diplomová práce se zabývá syntézou biodegradabilních polyuretanu (bio-PU) na bázi polyethylenglykolu (PEG-u) a polykaprolaktonu (PCL) pro využití k medicínským úcelum. Cílem práce bylo vyvinout metodiku prípravy elastomerního polyuretanu, ze kterého by se dal v budoucnu pripravit skafold (nosic bunek) použitelný v tkánovém inženýrství pro humánní regenerativní medicínu. Teoretická cást práce shrnuje informace o materiálech využitelných pro zamýšlenou aplikaci. Zahrnuty jsou také techniky prípravy skafoldu, jejich biokompatibilita a charakterizace vlastností výsledného materiálu. Praktická cást je pak zamerena na navržení vhodné metodiky pro prípravu funkcních vzorku obsahujících PEG, PCL, hexamethylen-diisokyanát (HMDI) a ethylhexanoát cínatý jako katalyzátor. U pripravených vzorku byl zjištován vliv jejich složení (predevším ruzný obsah a molekulová hmotnost PEG-u) na botnání a hydrolytickou stabilitu spolecne s testováním mechanických vlastností, sledováním kinetiky sítování a stanovením stupne konverze. Morfologie vzorku byla sledována pomocí optické mikroskopie, chemické složení bylo potvrzeno infracervenou spektroskopií a tepelné vlastnosti byly urceny diferencní kompenzacní kalorimetrií. Vývoj v metodice prípravy ukázal, že je nezbytné odstranit pred syntézou z výchozích látek veškeré necistoty, predevším vodu a kyslík, jinak vznikaly nedokonale zreagované vzorky s velkým obsahem póru ruzných velikostí. Syntéza všech vzorku probíhala pod dusíkovou atmosférou ve dvou krocích, kdy v prvním se pouze homogenizovaly oba polyoly (PEG i PCL) na vakuové lince pri 130 °C a ve druhém pak vznikaly výsledné bio-PU za pridání HMDI pri 65 °C v inertní atmosfére manipulacního boxu. Vzorky pak byly dopolymerovány ve forme pri 65 °C pod dobu 48 hodin v sušárne. Ruzné fyzikální podmínky metodiky vedly k príprave jak nepruhledných bílých filmu, tak i vzorku s viditelnou separací fází až po flexibilní transparentní filmy. Pozorování optickým mikroskopem vzorku s fázovou separací prokázalo prítomnost sférolitické struktury krystalické fáze PCL v amorfní fázi matrice PEG-u. Sledování kinetiky sítování pomocí soxhletovy extrakce potvrdilo maximální konverzi polymerace (96 %) již za 4 h dopolymerování v sušárne. Testování zkouškou v tahu ukázalo, že výrazný vliv na pevnost v tahu má isokyanátový index (pomer NCO/OH skupin). Molekulová hmotnost PEG-u ovlivnovala pevnost v tahu jen u vzorku zcela zesítovaných. Merení botnání vzorku ve vode prokázalo, že s rustem molekulové hmotnosti PEG-u roste i obsah vody (od cca 28 až po 58 hm.%) ve vzorcích. Také degradace filmu ve vode pri 37 °C probíhala dle predpokladu rychleji u vzorku s vyšší molekulovou hmotností PEG-u. V predložené diplomové práci bylo potvrzeno, že množstvím a molekulovou hmotností polyethylenglykolu je možné rídit hydrolytickou stabilitu výsledných biodegradabilních polyuretanových elastomeru.

In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt (Infrared Transition Moment Orientational Analysis, IR-TMOA) um die dreidimensionale Ordnung auf molekularer Ebene in infrarot-durchlässigen Systemen zu quantifizieren. Es beruht auf der Messung zahlreicher Infrarotspektren, die unter systematisch variierender Polarisation des einfallenden Lichts und Ausrichtung der Probe relativ zur optischen Achse aufgenommen werden. So wird ein repräsentativer Ausschnitt des dreidimensionalen Absorptionsellipsoids gemessen. Die Tensordarstellung dieses Ellipsoids ist äquivalent zum quadratischen Mittel der Verteilungsfunktion der Orientierung der Übergangsmomente, was wiederum dem Ordnungsparameter entspricht. Von zentraler Bedeutung ist ebenfalls, dass die Ordnung (und Orientierung) spezifisch für verschiedene molekulare Untereinheiten angegeben werden kann, da im mittleren Infrarot die Übergangsdipolmomente definierten, lokalen Schwingungen zugeordnet sind. Im zweiten Teil der Arbeit wird IR-TMOA angewendet um die molekulare Ordnung von verschiedenen amorphen und kristallinen Untereinheiten in teil-kristallinen Polymeren (Polycaprolacton, PCL und Polyethylen, PE) zu bestimmen. So kann der Einfluss der Grenzflächen und der geometrischen Einschränkungen in PCL-Filmen auf Substraten in seiner Temperaturabhängigkeit charakterisiert werden. Ebenso wird erstmalig in freitragenden PCL-Filmen in durch mechanische Streckung plastisch deformierten Bereichen die stark biaxiale molekulare Ordnung quantifiziert. In industriell produzierten PE-Filmen, die unter dem Einfluss von äußerer mechanischer Spannung kristallisieren, wird die biaxiale Ordnung und Orientierung vollständig charakterisiert und in Abhängigkeit der Präparationsbedingungen analysiert. Des weiteren wird die Ordnung in einem System aus zwei Phasen untersucht: einer ferroelektrischen Polymermatrix mit mikrometer-großen Flüssigkristalleinschlüssen (Polymer Dispersed Liquid Crystals). Dies erlaubt es, den Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes und des remanenten Feldes der Matrix auf die Flüssigkristalle zu quantifizieren. Durch IR-TMOA wird für alle Systeme, die infrarot aktive Vibrationen aufweisen, eine dreidimensionale molekulare Beschreibung der Orientierung und Ordnung ermöglicht. Dies stellt wiederum einen unverzichtbaren Beitrag zum Verständnis der unterliegenden strukturbildenden Prozesse dar und deren Beitrag zur resultierenden makroskopischen Struktur.

Atualmente, existe uma grande necessidade médica por enxertos vasculares de pequeno calibre (< 6 mm), que possam ser utilizados em cirurgias de reconstrução vascular. Nesse trabalho, dois tipos de biomateriais vasculares foram desenvolvidos pela técnica de electrospinning: biomateriais de policaprolactona (PCL) e biomateriais de poli(carbonato de trimetileno – co – ácido lático) (PTMCLLA). Os biomateriais de PCL foram funcionalizados com heparina e com VEGF (PCL/Hep/VEGF). Os biomateriais de PTMCLLA foram desenvolvidos a partir de três razões de carbonato de trimetileno/ ácido lático: 20/80, 30/70 e 40/60. Os biomateriais de PCL apresentaram taxa de degradação lenta e alta elasticidade. A funcionalização dos biomateriais preveniu a coagulação do sangue e também favoreceu o crescimento de células-tronco mesenquimais (CTMs) e de células progenitoras endoteliais (CPEs) nessas estruturas. A análise de PCR demonstrou que o VEGF adsorvido aos biomateriais não foi suficiente para diferenciar as CTMs em células endoteliais. O cultivo das CPEs sobre os biomateriais aumentou a expressão de VE-caderina e a presença de VEGF nas estruturas manteve o nível de expressão de CD31 e CD34 nessas células. Após essas análises, os biomateriais de PCL/Hep/VEGF foram fabricados em formato tubular. As CPEs foram semeadas no lúmen do biomaterial, através de biorreatores de parede rotatória (BPR), e mantidas em cultivo, por biorreatores de perfusão (BP). O BPR favoreceu a distribuição homogênea das CPEs na parede luminal dos biomateriais enquanto que o BP estimulou seu crescimento e otimizou seu metabolismo energético. Os biomateriais produzidos a partir dos copolímeros de PTMCLLA 30/70 e 40/60 exibiram uma alta flexibilidade. Porém, os biomateriais de PTMCLLA 40/60 tiveram um grande enrugamento. Os biomateriais de PTMCLLA 30/70 suportaram a adesão e o crescimento de CTMs, de CPEs e de células musculares lisas. Os resultados obtidos no presente estudo demonstram que biomateriais de PCL/Hep/VEGF apresentam características físico-químicas compatíveis para o uso vascular. Ainda, previnem a formação de trombos em sua superfície e propiciam o desenvolvimento da camada endotelial em seu lúmen. Os biomateriais de PTMCLLA 30/70 exibem alta flexibilidade e suportam o desenvolvimento de células vasculares e de células-tronco mesenquimais. De acordo com esses resultados, é possível concluir que biomateriais de PCL/Hep/VEGF e de PTMCLLA 30/70 são candidatos promissores para aplicação como enxertos vasculares. / Currently, there is a great medical need for small caliber vascular grafts (<6 mm), which can be used in vascular replacement surgeries. In this work, two types of vascular biomaterials were developed by the electrospinning technique: biomaterials of polycaprolactone (PCL) and biomaterials of poly(trimethylene carbonate-co-L-lactide) (PTMCLLA). PCL biomaterials were functionalized with heparin and VEGF (PCL / Hep/VEGF). The PTMCLLA biomaterials were developed from three ratios of trimethylene carbonate/lactide: 20/80, 30/70 and 40/60. The PCL biomaterials presented a slow degradation rate and high elasticity. The functionalization of the biomaterials prevented the blood from clotting and also favored the growth of mesenchymal stem cells (MSCs) and endothelial progenitor cells (EPCs) in these structures. PCR analysis demonstrated that VEGF adsorbed by the biomaterials was not sufficient to differentiate the MSCs into endothelial cells. The cultivation of CPEs on the biomaterials increased their expression of VE-cadherin and the presence of VEGF in the structures maintained the cell expression of CD34 and CD31. After these analyzes, the PCL/Hep/VEGF biomaterials were produced in a tubular geometrical form. The CPEs were seeded into their lumen by rotating bioreactors (RB) and maintained in culture by perfusion bioreactors (PB). The RB favored the homogeneous distribution of the CPEs in the luminal wall of the biomaterials while the BP stimulated their growth and optimized their energetic metabolism. The biomaterials produced from the PTMCLLA 30/70 and 40/60 copolymers exhibited high flexibility. However, the PTMCLLA 40/60 biomaterials exhibited substantial wrinkling. The PTMCLLA 30/70 biomaterials supported the adhesion and growth of MSCs, CPEs and smooth muscle cells. This study has demonstrated that PCL/Hep/VEGF biomaterials have physicochemical characteristics compatible with vascular use. Furthermore, they prevent thrombus formation on their surfaces and promote the development of the endothelial layer in their lumen. Biomaterials of PTMCLLA 30/70 exhibit high flexibility and support the development of vascular and mesenchymal stem cells. According to these results, it can be concluded that PCL/Hep/VEGF and PTMCLLA 30/70 biomaterials are promising candidates for use as vascular grafts.

Atualmente, existe uma grande necessidade médica por enxertos vasculares de pequeno calibre (< 6 mm), que possam ser utilizados em cirurgias de reconstrução vascular. Nesse trabalho, dois tipos de biomateriais vasculares foram desenvolvidos pela técnica de electrospinning: biomateriais de policaprolactona (PCL) e biomateriais de poli(carbonato de trimetileno – co – ácido lático) (PTMCLLA). Os biomateriais de PCL foram funcionalizados com heparina e com VEGF (PCL/Hep/VEGF). Os biomateriais de PTMCLLA foram desenvolvidos a partir de três razões de carbonato de trimetileno/ ácido lático: 20/80, 30/70 e 40/60. Os biomateriais de PCL apresentaram taxa de degradação lenta e alta elasticidade. A funcionalização dos biomateriais preveniu a coagulação do sangue e também favoreceu o crescimento de células-tronco mesenquimais (CTMs) e de células progenitoras endoteliais (CPEs) nessas estruturas. A análise de PCR demonstrou que o VEGF adsorvido aos biomateriais não foi suficiente para diferenciar as CTMs em células endoteliais. O cultivo das CPEs sobre os biomateriais aumentou a expressão de VE-caderina e a presença de VEGF nas estruturas manteve o nível de expressão de CD31 e CD34 nessas células. Após essas análises, os biomateriais de PCL/Hep/VEGF foram fabricados em formato tubular. As CPEs foram semeadas no lúmen do biomaterial, através de biorreatores de parede rotatória (BPR), e mantidas em cultivo, por biorreatores de perfusão (BP). O BPR favoreceu a distribuição homogênea das CPEs na parede luminal dos biomateriais enquanto que o BP estimulou seu crescimento e otimizou seu metabolismo energético. Os biomateriais produzidos a partir dos copolímeros de PTMCLLA 30/70 e 40/60 exibiram uma alta flexibilidade. Porém, os biomateriais de PTMCLLA 40/60 tiveram um grande enrugamento. Os biomateriais de PTMCLLA 30/70 suportaram a adesão e o crescimento de CTMs, de CPEs e de células musculares lisas. Os resultados obtidos no presente estudo demonstram que biomateriais de PCL/Hep/VEGF apresentam características físico-químicas compatíveis para o uso vascular. Ainda, previnem a formação de trombos em sua superfície e propiciam o desenvolvimento da camada endotelial em seu lúmen. Os biomateriais de PTMCLLA 30/70 exibem alta flexibilidade e suportam o desenvolvimento de células vasculares e de células-tronco mesenquimais. De acordo com esses resultados, é possível concluir que biomateriais de PCL/Hep/VEGF e de PTMCLLA 30/70 são candidatos promissores para aplicação como enxertos vasculares. / Currently, there is a great medical need for small caliber vascular grafts (<6 mm), which can be used in vascular replacement surgeries. In this work, two types of vascular biomaterials were developed by the electrospinning technique: biomaterials of polycaprolactone (PCL) and biomaterials of poly(trimethylene carbonate-co-L-lactide) (PTMCLLA). PCL biomaterials were functionalized with heparin and VEGF (PCL / Hep/VEGF). The PTMCLLA biomaterials were developed from three ratios of trimethylene carbonate/lactide: 20/80, 30/70 and 40/60. The PCL biomaterials presented a slow degradation rate and high elasticity. The functionalization of the biomaterials prevented the blood from clotting and also favored the growth of mesenchymal stem cells (MSCs) and endothelial progenitor cells (EPCs) in these structures. PCR analysis demonstrated that VEGF adsorbed by the biomaterials was not sufficient to differentiate the MSCs into endothelial cells. The cultivation of CPEs on the biomaterials increased their expression of VE-cadherin and the presence of VEGF in the structures maintained the cell expression of CD34 and CD31. After these analyzes, the PCL/Hep/VEGF biomaterials were produced in a tubular geometrical form. The CPEs were seeded into their lumen by rotating bioreactors (RB) and maintained in culture by perfusion bioreactors (PB). The RB favored the homogeneous distribution of the CPEs in the luminal wall of the biomaterials while the BP stimulated their growth and optimized their energetic metabolism. The biomaterials produced from the PTMCLLA 30/70 and 40/60 copolymers exhibited high flexibility. However, the PTMCLLA 40/60 biomaterials exhibited substantial wrinkling. The PTMCLLA 30/70 biomaterials supported the adhesion and growth of MSCs, CPEs and smooth muscle cells. This study has demonstrated that PCL/Hep/VEGF biomaterials have physicochemical characteristics compatible with vascular use. Furthermore, they prevent thrombus formation on their surfaces and promote the development of the endothelial layer in their lumen. Biomaterials of PTMCLLA 30/70 exhibit high flexibility and support the development of vascular and mesenchymal stem cells. According to these results, it can be concluded that PCL/Hep/VEGF and PTMCLLA 30/70 biomaterials are promising candidates for use as vascular grafts.

Atualmente, existe uma grande necessidade médica por enxertos vasculares de pequeno calibre (< 6 mm), que possam ser utilizados em cirurgias de reconstrução vascular. Nesse trabalho, dois tipos de biomateriais vasculares foram desenvolvidos pela técnica de electrospinning: biomateriais de policaprolactona (PCL) e biomateriais de poli(carbonato de trimetileno – co – ácido lático) (PTMCLLA). Os biomateriais de PCL foram funcionalizados com heparina e com VEGF (PCL/Hep/VEGF). Os biomateriais de PTMCLLA foram desenvolvidos a partir de três razões de carbonato de trimetileno/ ácido lático: 20/80, 30/70 e 40/60. Os biomateriais de PCL apresentaram taxa de degradação lenta e alta elasticidade. A funcionalização dos biomateriais preveniu a coagulação do sangue e também favoreceu o crescimento de células-tronco mesenquimais (CTMs) e de células progenitoras endoteliais (CPEs) nessas estruturas. A análise de PCR demonstrou que o VEGF adsorvido aos biomateriais não foi suficiente para diferenciar as CTMs em células endoteliais. O cultivo das CPEs sobre os biomateriais aumentou a expressão de VE-caderina e a presença de VEGF nas estruturas manteve o nível de expressão de CD31 e CD34 nessas células. Após essas análises, os biomateriais de PCL/Hep/VEGF foram fabricados em formato tubular. As CPEs foram semeadas no lúmen do biomaterial, através de biorreatores de parede rotatória (BPR), e mantidas em cultivo, por biorreatores de perfusão (BP). O BPR favoreceu a distribuição homogênea das CPEs na parede luminal dos biomateriais enquanto que o BP estimulou seu crescimento e otimizou seu metabolismo energético. Os biomateriais produzidos a partir dos copolímeros de PTMCLLA 30/70 e 40/60 exibiram uma alta flexibilidade. Porém, os biomateriais de PTMCLLA 40/60 tiveram um grande enrugamento. Os biomateriais de PTMCLLA 30/70 suportaram a adesão e o crescimento de CTMs, de CPEs e de células musculares lisas. Os resultados obtidos no presente estudo demonstram que biomateriais de PCL/Hep/VEGF apresentam características físico-químicas compatíveis para o uso vascular. Ainda, previnem a formação de trombos em sua superfície e propiciam o desenvolvimento da camada endotelial em seu lúmen. Os biomateriais de PTMCLLA 30/70 exibem alta flexibilidade e suportam o desenvolvimento de células vasculares e de células-tronco mesenquimais. De acordo com esses resultados, é possível concluir que biomateriais de PCL/Hep/VEGF e de PTMCLLA 30/70 são candidatos promissores para aplicação como enxertos vasculares. / Currently, there is a great medical need for small caliber vascular grafts (<6 mm), which can be used in vascular replacement surgeries. In this work, two types of vascular biomaterials were developed by the electrospinning technique: biomaterials of polycaprolactone (PCL) and biomaterials of poly(trimethylene carbonate-co-L-lactide) (PTMCLLA). PCL biomaterials were functionalized with heparin and VEGF (PCL / Hep/VEGF). The PTMCLLA biomaterials were developed from three ratios of trimethylene carbonate/lactide: 20/80, 30/70 and 40/60. The PCL biomaterials presented a slow degradation rate and high elasticity. The functionalization of the biomaterials prevented the blood from clotting and also favored the growth of mesenchymal stem cells (MSCs) and endothelial progenitor cells (EPCs) in these structures. PCR analysis demonstrated that VEGF adsorbed by the biomaterials was not sufficient to differentiate the MSCs into endothelial cells. The cultivation of CPEs on the biomaterials increased their expression of VE-cadherin and the presence of VEGF in the structures maintained the cell expression of CD34 and CD31. After these analyzes, the PCL/Hep/VEGF biomaterials were produced in a tubular geometrical form. The CPEs were seeded into their lumen by rotating bioreactors (RB) and maintained in culture by perfusion bioreactors (PB). The RB favored the homogeneous distribution of the CPEs in the luminal wall of the biomaterials while the BP stimulated their growth and optimized their energetic metabolism. The biomaterials produced from the PTMCLLA 30/70 and 40/60 copolymers exhibited high flexibility. However, the PTMCLLA 40/60 biomaterials exhibited substantial wrinkling. The PTMCLLA 30/70 biomaterials supported the adhesion and growth of MSCs, CPEs and smooth muscle cells. This study has demonstrated that PCL/Hep/VEGF biomaterials have physicochemical characteristics compatible with vascular use. Furthermore, they prevent thrombus formation on their surfaces and promote the development of the endothelial layer in their lumen. Biomaterials of PTMCLLA 30/70 exhibit high flexibility and support the development of vascular and mesenchymal stem cells. According to these results, it can be concluded that PCL/Hep/VEGF and PTMCLLA 30/70 biomaterials are promising candidates for use as vascular grafts.

In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt (Infrared Transition Moment Orientational Analysis, IR-TMOA) um die dreidimensionale Ordnung auf molekularer Ebene in infrarot-durchlässigen Systemen zu quantifizieren. Es beruht auf der Messung zahlreicher Infrarotspektren, die unter systematisch variierender Polarisation des einfallenden Lichts und Ausrichtung der Probe relativ zur optischen Achse aufgenommen werden. So wird ein repräsentativer Ausschnitt des dreidimensionalen Absorptionsellipsoids gemessen. Die Tensordarstellung dieses Ellipsoids ist äquivalent zum quadratischen Mittel der Verteilungsfunktion der Orientierung der Übergangsmomente, was wiederum dem Ordnungsparameter entspricht. Von zentraler Bedeutung ist ebenfalls, dass die Ordnung (und Orientierung) spezifisch für verschiedene molekulare Untereinheiten angegeben werden kann, da im mittleren Infrarot die Übergangsdipolmomente definierten, lokalen Schwingungen zugeordnet sind. Im zweiten Teil der Arbeit wird IR-TMOA angewendet um die molekulare Ordnung von verschiedenen amorphen und kristallinen Untereinheiten in teil-kristallinen Polymeren (Polycaprolacton, PCL und Polyethylen, PE) zu bestimmen. So kann der Einfluss der Grenzflächen und der geometrischen Einschränkungen in PCL-Filmen auf Substraten in seiner Temperaturabhängigkeit charakterisiert werden. Ebenso wird erstmalig in freitragenden PCL-Filmen in durch mechanische Streckung plastisch deformierten Bereichen die stark biaxiale molekulare Ordnung quantifiziert. In industriell produzierten PE-Filmen, die unter dem Einfluss von äußerer mechanischer Spannung kristallisieren, wird die biaxiale Ordnung und Orientierung vollständig charakterisiert und in Abhängigkeit der Präparationsbedingungen analysiert. Des weiteren wird die Ordnung in einem System aus zwei Phasen untersucht: einer ferroelektrischen Polymermatrix mit mikrometer-großen Flüssigkristalleinschlüssen (Polymer Dispersed Liquid Crystals). Dies erlaubt es, den Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes und des remanenten Feldes der Matrix auf die Flüssigkristalle zu quantifizieren. Durch IR-TMOA wird für alle Systeme, die infrarot aktive Vibrationen aufweisen, eine dreidimensionale molekulare Beschreibung der Orientierung und Ordnung ermöglicht. Dies stellt wiederum einen unverzichtbaren Beitrag zum Verständnis der unterliegenden strukturbildenden Prozesse dar und deren Beitrag zur resultierenden makroskopischen Struktur.