Design of electrospun cardiovascular bypass graft using derivative of poly (Alkylene terephthalate)

Abstract

Cardiovascular disease (CVD) is the number one of the causes of global death at the present time. It is known that approximately 17.9 million people died because of cardiovascular problems in 2016 according to data of World Health Organization (WHO) [1]. It means that cardiovascular diseases are responsible for 31% of all global deaths. According to European Statistics in 2015, 1.91 million people died due to cardiovascular diseases and it covers 36.7 % of all of deaths in European Union. It shows that deaths of cardiovascular disease are higher than that of cancer which has the second highest prevelance [2]. Also, cardiovascular disease is main reason for deaths of premature and chronic disability in the world [3]. On the other hand, deaths of CVD cover about one third of all deaths in Asia-Pacific countries [4]. Similarly, CVD is the foremost cause of mortality in United States and Canada. Therefore, more than a third of all deaths in North America is caused by CVD [5]. Besides, it is estimated that approximately 23.6 million people will die because of CVD by 2030 [6]. Cardiovascular disease which is circulatory problem on heart and blood vessels is caused by increasing of cholesterol and blood pressure because of smoking, overweight is related to malnutrition, physical inactivity and diabetes [4,7]. CVD could be divided in sub-groups depending on problems on the different kind of blood vessels and disorder of heart such as coronary heart diseases (ischemic heart diseases or heart attack), cerebrovascular heart diseases (stroke), peripheral arterial diseases, rheumatic heart diseases, congenital heart diseases and deep vein thrombosis-pulmonary embolism. Coronary heart disease from all of these diseases is the most commonly seen heart disease in the world. According to researches between 1990-2016, 42 % of all deaths is caused by coronary based diseases in Turkey [8]. On the other hand, according to researches of Polymer Chemistry & Biomaterials Group (PBM Group) in Ghent University, an artery which is the blood vessel carry the cleaned blood and oxygen to all part of the human body is most inclined to damage in human body [9]. Coronary artery disease covers more than half of all death of cardiovascular diseases [5]. Annually, 340.000 people who are 37 aged and above die and coronary artery disease is diagnosed to approximately 420.000 people in Turkey [10]. The researches show that coronary artery diseases are the most serious problem in the world, and it is required to focus treatments in order to increase opportunities, and quality of human life. Coronary artery disease (CAD) is result of atherosclerosis which is formation of plaques on the wall of blood vessels. The plaques form due to accumulation of cholesterol on the walls of blood vessels. Plaques lead to luminal narrowing, decreased flow, distal tissue ischemia [11]. That is why, oxygen could not be carried to heart muscles sufficiently. The narrowing of the blood vessels leads to angina pectoris. In situation of blockage of the narrowed blood vessels via blood clot, heart muscles are damaged due to lack of oxygen. It is called as heart attack in colloquial language. Heart attack is one of a leading problem in the world which can be result in death, so it should be treated ineradicably. On the other hand, aneurysm is another coronary artery disease could be determined as dilatation of diameter of the blood vessels owing to hypertension, osteoarthritis, infections, damaged connective tissue and congenital defects [12]. As CVDs are the main cause of death, efficient treatments are required. After diagnosis, a change in lifestyle in combination with medical therapy such as healthy diet, quit smoking, decreasing the stress factors and making more exercise are advised. If those lifestyle changes are not sufficient, surgery will be necessary. Different procedures are possible including angioplasty, percutaneous coronary intervention (PCI) and coronary artery bypass grafting (CABG). Angioplasty includes repairing the existing blood vessels by using thin tube which contains the balloon at the end. The tube with a narrow balloon was moved towards to blocked area of the blood vessels. When it arrives to this part, balloon offers to remove plaques and regulate the blood flow. Narrowed blood vessel could be opened by means of inflation of the balloon by using pressure. Moreover, PCI is another type of angioplasty. Hence, it has same principle with angioplasty, but it was applied by using metallic frame could be called as stent and thin flexible tube could be called as catheter. Stent is placed from some parts of human body such as groin or arm. The stent is forwarded until blocked area or dilated area of blood vessel through human vessel. As it is located the blocked area of human blood vessels, it could extend the blood vessels. Otherwise, stent is placed into dilated part of blood vessels and it occurs cloth here to decrease the abnormal flow rate [13]. CABG is another method to use to treat blockage on the blood vessels. The CABG is performed by using a vascular graft is obtained from patient's own body such as saphenous vein or other sources such as animal or cadaver. On the other hand, some synthetic based grafts could be used for this process to treat the disease. Grafts are implanted between damaged parts of human blood vessels and aorta as a bridge in this system. Open surgeries could be example for CABG-based operations. An open surgery as bypass is based on replacement of injured part of blood vessel with a vascular graft. Otherwise, an endovascular repairing application is based on repairing of current blood vessels by using metallic frame is called as stent. In bypass surgery, damaged blood vessels are deactivated, and biological or artificial grafts are sewn onto blocked area and one another healthy vessel which separates from heart. Thus, the graft serves as a bridge between these two vessels. As a result, lack of oxygen in heart muscles could be prevented by using another graft. Otherwise, in angioplasty, stent is placed from some part of human body as groin. The stent is forwarded until blocked area of blood vessel through human vessel. Also, stent contains a balloon, and narrowed blood vessel could be opened by means of inflation of the balloon by using pressure. Angioplasty is commonly used method because of fast recovery period and easily applicable procedure. However, in case of blockage of left anterior descending artery (LAD) which feeds much more muscles than other coronary arteries, it is known that bypass is the inevitable option. Also, it is known that in the case of more than one blockage in main human blood vessels, bypass is needed to be preferable choice in order to have higher survival rates. Hence, bypass is one of the most prominent coronary artery treatments at the present time by means of these advantages [14]. Today, there are different types of bypass grafts. The grafts could be classified as autologous grafts, allografts, xenografts, synthetic prosthetic grafts and synthetic vascular grafts. Autologous grafts include autologous mammary arteries and saphenous veins. So, it means that some blood vessels which are taken from human body are used as a graft, but they are restricted because of limited donors and anatomical variabilities. Otherwise, the grafts are obtained from cadavers are called as allografts. Like autologous grafts, allografts have limitation about donors and anatomy. Also, xenografts are obtained from bovine or porcine pulmonary valve conduit, but they have shorter life span. Xenografts should be replaced with new one up to 10-15 years. In addition, they have insufficient control for mechanical and physical properties. Besides, synthetic prosthetic grafts are rejected by immune system of human in several months. Although, there are many disadvantages of the other grafts, synthetic grafts are made by polymers such as poly (tetrafluoroethylene) (ePTFE), poly (ethyleneterepthalate) (PET), have become best choice to produce coronary artery grafts with required properties. Synthetic grafts are made by bio-degradable, bio-regenerated and biocompatible polymers have begun to be alternative option for cardiovascular tissue engineering at the present time [11,15]. In this study, a type of poly (alkylene terephthalate) (PAT) was produced in order to use in cardiovascular bypass grafting. In contrast to commercial PET which is commonly used polymer of PAT class, alternative PAT was obtained via single-step solution polymerization instead of step-growth polymerization without using any initiator or catalyst during the reactions. That is why, toxicity which is result of using catalyst in synthesis of PAT class polymer was removed by using terephthaloyl chloride (TCL) instead of using terephthalic acid (TA) or dimethyl terephthalate (DMT) [16]. New version of PAT was produced under same conditions in different molecular weight. Also, linear diols which have different carbon chain length (n = 5,8,9,10) were used during the reactions to understand the effects of the chain length on the fiber structure. Moreover, polymer which have ability to obtain fibers effectively were analyzed by using nuclear magnetic resonance (NMR), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and gel permeation chromatography (GPC). The polymers were electrospun under optimum conditions. Produced polymers were dissolved inside pure chloroform, combination of chloroform, 2-butanol and chloroform, 1-penthanol in the different volume ratio (90:10, 80:20, 70:30 v:v %) for electrospinning. Viscosities of prominent solutions in electrospinning were measured by using rheometer depending on shear rate. Furthermore, effects of solvent, solvent ratio and using solvents have alkyl chains with different length on the fiber surface was observed during the process by using scanning electron microscope (SEM). Also, effective electrospun polymers were used to obtain aligned and random fibers. In addition, surface and structure of the fibers were observed with SEM. As a result, it was observed that different fiber structures with different pore size could be observed by using 1-penthanol instead of 2-butanol. Using of alcohol could leads to decrease evaporation rate of chloroform, but porous structure decreases with using alcohol. Under the high speeds, aligned fibers could be obtained by using new version of PAT and they could be comparable with their random versions clearly. Moreover, new version of PAT could offer highly-qualified properties thermally. Also, fibers were produced with their diameter changes between 280 nm and 3600 nm.

Günümüzde, kardiyovasküler hastalıklar dünya genelindeki tüm ölümlerin bir numaralı nedenidir. Dünya Sağlık Örgütü verilerine göre, 2016 yılında kardiyovasküler problemler nedeniyle yaklaşık olarak 17.9 milyon insanın öldüğü bilinmektedir [1]. Bu kardiyovasküler hastalıkların dünya genelindeki ölümlerin % 31'inden sorumlu olduğu anlamına gelmektedir. 2015 yılı Avrupa İstatistiklerine göre Avrupa Birliği'nde 1.9 milyon insan kardiyovasküler hastalıklar nedeniyle ölmüştür ve bu Avrupa Birliği'ndeki tüm ölümlerin % 36.7'sini kapsamaktadır. Bu durum, kardiyovasküler hastalıktan kaynaklı ölümlerin en yüksek ikinci prevalansa sahip olan kanser kaynaklı ölümlerden daha yüksek olduğunu göstermektedir [2]. Bunların yanında kardiyovasküler hastalıklar dünyada, erken ölüm ve kronik yetmezlik ölümlerinin temel sebebidir [3]. Öte yandan, kardiyovasküler ölümler Asya- Pasifik ülkelerinde tüm ölümlerin yaklaşık olarak üçte birini kapsamaktadır [4]. Benzer bir şekilde, kardiyovasküler hastalıklar Amerika ve Kanada'daki ölümlerin en başta gelen nedenidir. Bununla birlikte Kuzey Amerika'da tüm ölümlerin üçte biri kardiyovasküler hastalıklar nedeniyle meydana gelmiştir [5]. Bunların yanında, yaklaşık olarak 23.6 milyon insanın 2030'a kadar kardiyovaküler hastalıklar nedeniyle öleceği tahmin edilmektedir [6]. Kalpte ve kan damarlarındaki dolaşım bozukluğu olan kardiyovasküler hastalıklar, sigara içme, kötü beslenme alışkanlıklarına bağlı yüksek kilo, fiziksel aktivite yetersizliği ve diyabet nedeniyle oluşan kolesterolün ve kan basıncının artması sonucu oluşmaktadır [4,7]. Kardiyovasküler hastalıklar farklı tipteki kan damarlarındaki problemleri ve kalpteki rahatsızlıkları temel alarak koroner kalp hastalıkları, serebrovasküler kalp hastalıkları, periferik arter hastalığı, romatizmaya bağlı kalp hastalıkları, doğuştan gelen kalp hastalıkları ve derin ven trombozu- akciğer embolisi gibi alt gruplara ayrılabilirler. Bu hastalıklardan koroner kalp hastalığı dünyada en sık görülen kalp hastalığıdır. 1990- 2016 yılları arasında yapılan araştırmalara göre, Türkiye'de tüm ölümlerin 42 %'si, koroner temelli hastalıklar nedeni ile gerçekleşmiştir [8]. Öte yandan, Gent Üniversitesi Polimer Kimyası ve Biyomalzeme Grubu'nun çalışmalarına göre temizlenmiş kanı ve oksijeni insan vücudunun tüm parçalarına taşıyan kan damarı olan arter, insan vücudunda en çok zarar görme eğiliminde olan kan damarıdır [9]. Koroner arter hastalığı, tüm kardiyovasküler hastalık ölümlerinin yarısından fazlasını kapsamaktadır [5]. Türkiye'de yıllık 37 yaş ve üstü 340.000 insan bu sebeple ölmekte ve yaklaşık 420.000 insana koroner arter tanısı konmaktadır [10]. Araştırmalar, koroner arter hastalığının dünyadaki en ciddi problem olduğunu, olanakları ve insanların yaşam kalitesini artırmak için bunların tedavilerine odaklanmak gerektiğini göstermektedir. Koroner arter hastalığı, kan damarlarının duvarlarında plak oluşumu olarak tanımlanan damar sertleşmesinin bir sonucudur. Plaklar damar duvarlarında kolesterol birikmesi nedeniyle oluşmaktadır [11]. Plaklar damar daralmalarına, azalmış kan akışına, distal doku iskemiğine (kansızlık) yol açmaktadır. Bu nedenle, oksijen kalp kaslarına yeterli bir şekilde taşınamamaktadır. Kalp damarlarının daralması, göğüs ağrılarına neden olmaktadır. Daralmış kan damarlarının kan pıhtısı ile tıkanması durumunda ise oksijen yetersizliği nedeniyle kalp kasları zarar görmektedir. Halk dilinde bu durum kalp krizi olarak adlandırılmaktadır. Kalp krizi, dünyada ölümle sonuçlanan öncü problemlerden bir tanesidir, dolayısıyla köklü bir şekilde tedavi edilmelidir. Öte yandan, kan damarlarının çapında yüksek tansiyon, kireçlenme, zedelenmiş bağ doku ve doğuştan gelen bozukluklar nedeniyle ortaya çıkan anevrizma bir diğer koroner arter hastalığıdır [12]. Ölümlerin ana sebebi olan kardiyovasküler hastalıklar etkili tedaviler gerektirmektedir. Teşhis edildikten sonra, yaşam stilinde sağlıklı diyet, azaltılmış sigara içme alışkanlıkları, stres faktörlerini azaltmak ve daha fazla egzersiz yapmak gibi medikal terapilerle yapılan kombinasyonlar önerilmektedir. Bu yaşam stilindeki değişimler yetersiz kalırsa ameliyat gerekli olacaktır. Anjiyoplasti, perkutan koroner müdahele ve koroner arter baypas greftlerini içerisine alan farklı metotları kullanmak mümkündür. Anjiyoplasti mevcut kan damarlarının sonunda balon içeren ince bir tüp kullanılarak onarılmasını içermektedir. Dar bir balonla bu tüp kan damarının tıkanmış bölgesine doğru hareket ettirilir. Bu kısıma ulaştığında, balon plakların temizlenmesine ve kan akışının düzenlenmesine yardımcı olmaktadır. Tıkanmış kan damarları balonun basınç kullanılarak şişirilmesi ile açılabilmektedir. PCI ise bir diğer anjiyoplasti çeşididir. Dolayısıyla anjiyoplasti ile aynı prensibe sahiptir; ama stent olarak adlandırılan metalik bir çerçeve ve kateter oalrak adlandırılan ince esnek bir tüp kullanılarak uygulanmaktadır. Stent kasık ve kol gibi insan vücudunun bazı bölgelerinden yerleştirilmektedir. Stent tıkanmış veya gevşemiş kan damarının bölgesine kadar insan damarları boyunca ilerletilmektedir. Bloklanmış alana yerleştirilerek kan damarlarını genişletmektedir. Öte yandan stent gevşemiş kan damarlarına yerleştirilerek burada pıhtı oluşturarak anormal kan akışını düşürmektedir [13]. Koroner Arter Baypas Greftleri kan damarlarındaki tıkanıklıkları tedavi etmek için kullanılan bir diğer metottur. Koroner Arter Baypas Greft prosedürleri safenöz damarı gibi hastanın kendi vücudundan ya da hayvan ve kadavra gibi diğer kaynaklardan elde edilen greftler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Öte yandan bazı sentetik temelli greftler de bu işlem için kullanılabilmektedir. Bu sistemlerde, greftler insan vücudunun zarar görmüş kan damarlarına ve aorta köprü gibi implante edilmektedirler. Açık ameliyatlar koroner arter baypas greft temelli operasyonlara örnek olabilmektedirler. Baypas gibi açık kalp ameliyatları kan damarlarının zarar görmüş parçalarının bir vasküler doku ile değiştirilmesi temeline dayanmaktadır. Öte yandan endovasküler onarım uygulamaları, mevcut kan damarlarının stent adı verilen metalik çerçeveler kullanılarak onarılması temeline dayanmaktadır. Baypas ameliyatlarında, zarar görmüş kan damarları devre dışı bırakılmakta ve biyolojik ya da yapay greftler tıkanmış bölge ve kalpten çıkan sağlıklı bir başka damar üzerine dikilmektedir. Böylece bu iki damar arasında köprü görevi görmektedir. Sonuç olarak, kalp kaslarındaki oksijen eksikliği bir başka greft kullanılarak önlenmiş olmaktadır. Öte yandan anjiyoplastide, insan vücudunun kasık gibi bölgelerinden stentler yerleştirilir. Stent, insan damarları yoluyla, kan damarının tıkanmış bölgesine kadar ilerletilir. Bunun yanında stentler bir balon içerirler ve daralmış kan damarı, basınç kullanılarak şişirilmiş bu balon sayesinde açılmaktadır. Anjiyoplasti, hızlı iyileşme süreci ve kolay uygulanabilir prosedürü nedeniyle sıklıkla kullanılan bir metottur. Bunun yanında, diğer arterlerden daha çok kalp kası besleyen sol ön aort atardamarında tıkanma olması durumunda, baypasın en iyi opsiyon olduğu bilinmektedir. Ayrıca insanın ana atar damarlarında birden fazla tıkanma olması durumunda, baypasın daha fazla hayatta kalma oranı nedeniyle tercih edilmesi gereken bir seçenek olduğu bilinmektedir. Böylece baypas bu avantajları sayesinde günümüzdeki önde gelen koroner arter tedavi yöntemlerinden biri olmuştur [14]. Günümüzde, farklı türde baypas greftleri bulunmaktadır. Bu greftler, otolog greftler, alogreftler, ksenogreftler, sentetik prostetik greftler ve sentetik vasküler greftler olarak sınıflandırılabilmektedir. Otolog greftler, otolog memeli arterlerini ve safenöz venlerini içermektedir. Dolayısıyla bu, insan vücudundan alınan kan damarlarının greft olarak kullanılması anlamına gelmektedir, ancak bu tip gretflerin kullanımı limitli donörun olması ve anatomik farklılıklar nedeniyle kısıtlanmaktadır. Öte yandan kadavradan elde edilen greftler alogreftler olarak adlandırılmaktadır. Otolog greftler gibi alogreftlerde de donör ve anatomik farklılıklar nedeniyle sınırlamalar mevcuttur. Bunun yanında, ksenogreftler sığır ve domuz benzeri hayvanların akciğer ventil kanallarından elde edilmektedir; ancak, bunlar kısa ömürlü greftlerdir. Ksenogreftler 10-15 yıla kadar yenileri ile değiştirilmelidirler. Ayrıca, sentetik prostetik greftler insanların bağıklık sistemi tarafından birkaç ay içinde reddedilirler. Diğer greft türlerinin birçok dezavantajı olmasına rağmen, istenilen özellikteki, politetrafloretilen (ePTE) ve polietilentereftalat (PET) gibi polimerlerden yapılmış sentetik vasküler greftler bir koroner arter grefti üretmek için en iyi seçenek olmaya başlamışlardır. Günümüzde, biyobozunur, biyolojik olarak yeniden üretilebilir ve biyouyumlu polimerlerden yapılmış sentetik greftler kardiyovasküler doku mühendisliğinde alternatif opsiyonlardan biri olmuştur [11,15]. Bu çalışmada, vasküler baypas greftinde kullanılmak üzere bir çeşit polialkilentereftalat (PAT) üretilmiştir. Sıklıkla kullanılan PAT sınıfı polimerlerden ticari PET'in aksine, alternatif PAT basamaklı polimerizasyon yerine tek adımlı solüsyon polimerizasyonu ile herhangi bir başlatıcı ve katalizör kullanılmadan elde edilmiştir. Dolayısıyla PAT sınıfı polimerlerin sentezlenmesinde, katalizörlerin kullanımı sonucu oluşan toksiklik, tereftalik asit veya dimetil tereftalat kullanmak yerine tereftaloil kullanılarak kaldırılmıştır. Yeni versiyon PAT aynı koşullarda farklı moleküler ağırlıklarda üretilmiştir. Bu nedenle, polimer sentezinde katalizör kulanımının sonucu olan toksiklik tereftalolklorür (TCL) kullanılarak ortadan kaldırılmıştır. PAT türevi aynı koşullar altında farklı moleküler ağırlıklarda üretilmiştir. Bunun yanında, reaksiyon süresince zincir uzunluğunun lif yapısına etkilerini anlamak için farklı karbon zinciri uzunluğuna sahip linear dioller (n = 5,8, 9,10) kullanılmıştır. Ayrıca etkili bir şekilde lif üretme yeteneğine sahip polimer nükleer magnetik rezonans, termogravimetrik analiz, differansiyel taramalı kalorimetre ve pelte geçirim kromatogrofisi kullanılarak analiz edilmiştir. Polimerler optimum koşullar altında elektro eğirilmiştir. Üretilen polimer saf kloroform, kloroform, 2-bütanol komibinasyonu ve kloroform, 1-pentanol kombinasyon içerisinde farklı hacim oranlarında (90:10, 80:20, 70:30 v:v %) elektro-eğirme için çözülmüştür. Elektro-eğirmede ön plana çıkmış solüsyonların vizkoziteleri reometre kullanılarak kesme oranına bağlı olarak ölçülmüştür. Ayrıca çözücülerin, çözücü oranının ve farklı uzunluktaki alkil zincirlerine sahip çözücülerin kullanımının lif yüzeyi üzerine etkileri taramalı elektron mikroskobu kullanılarak gözlemlenmiştir. Elektro-eğirmede etkili olan polimerler rastgele ve hizalı lif elde etmek için kullanılmıştır. Bunu yanında liflerin yüzey ve yapıları taramalı elektron mikroskobu kullanılarak gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, 2- bütanol yerine 1- pentanol kullanılarak farklı por boyutları, farklı lif yapıları ile gözlemlenmiştir. Alkol kullanımı, kloroformun buharlaşma oranını düşürmüştür, ancak porlu yapı alkol kullanımı ile düşmüştür. Yüksek hızlar altında, yeni versiyon PAT kullanılarak hizalanmış lifler üretilebilmektedir ve bunlar rastgele versiyonları ile açık bir şekilde kıyaslanabilmektedirler. Ayrıca, yeni versiyon PAT termal olarak yüksek kalitede özellikler sunabilmektedir. Bunun yanında çapları 280 nm ve 3600 nm arasında değişen lifler üretilmiştir.