Fabrication and Characterization of Sutures Made from Composite Nanofibrous Yarns

Divyabharathi Madheswaran, M.Eng.

Disertační práce

Abstract:

Chirurgické nitě jsou ve zdravotnictví široce používané biomateriály pro uzavírání ran a poskytování potřebné podpory při hojení. Implantace stehů však může vést k tvorbě biofilmu a infekcím, což má za následek infekce v místě chirurgického zákrotku (SSI), které jsou druhou nejčastější infekcí ve zdravotnictví. Současné komerční chirurgické nitě jsou navíc mikrovláknové struktury o průměru větším než 10 ?m, které nedokážou replikovat strukturu extracelulární matrice (ECM). Tato disparita má za následek špatné buněčné interakce a suboptimální terapeutické výsledky, zejména u šlach a vazů. Navzdory tomu, že jde o kriticky důležitý biomateriál, dosud nebyly provedeny žádné převratné pokroky, které by zlepšily multifunkčnost chirurgických nití nebo poskytly fibrilární podporu na buněčné úrovni. Tato disertační práce je pokusem o pokrok v této oblasti, a předkládá možné řešení těchto nedostatků a navrhuje inovativní řešení prostřednictvím vývoje funkčních pletených kompozitních nanovlákenných přízí (CNY). Výrobní proces zahrnuje dva kroky: za prvé, CNY se submikronovým pláštěm na mikrovlákenné jádrové přízi, jsou vyrobeny pomocí elektrického zvlákňování střídavým proudem (AC), což je nový způsob výroby nanovlákenných materiálů vyvinutý Lukašem, Pokorným a Beranem. Tento způsob výroby umožňuje efektivní produkci CNY při 30 m/min. Za druhé, aby bylo dosaženo lepších mechanické vlastnosti, jsou CNY splétány ve výsledné nitě. Mikrovlákenné jádro CNY poskytuje potřebnou pevnost pro uzavření rány, zatímco vlákenná obálka napodobuje ECM, podporuje buněčné aktivity a umožňuje začlenění antibakteriálních látek, jako je chlorhexidin (CHX) nebo triclosan (TRC), pro urychlení hojení. Tato disertační práce demonstruje kontinuální výrobu různých antibakteriálních splétaných CNY. V počátečních experimentech byla vlákenná obálka kompozitní příze připravena z polyamidu-6 (PA6), PA6 s chlorhexidinem a polyuretanu (PU), a PA mikrovlákny jako jádrem. Druhý přístup zahrnoval směsi polykaprolaktonu a kyseliny polymléčné (PCL-PLA) a PCL-PLA s CHX nebo TRC pro vlákennou obálku s použitím mikrovlákenných přízí z PLA jako jádra. Třetí přístup využíval PCL a PCL s CHX nebo TRC pro vlákennou obálku a PLA mikrovlákna pro jádro. Morfologická hodnocení potvrdila úspěšnou výrobu CNY a splétaných CNY, zatímco infračervená spektroskopie ověřila začlenění CHX nebo TRC do přízí. Opletené CNY prokázaly dostatečnou pevnost (29 N) a vysokou tepelnou stabilitu. Testy cytotoxicity a antibakteriální aktivity ukázaly, že chlorhexidinem funkcionalizované PA6 CNY, splétané PLA/PCL-PLA CNY a triclosanem funkcionalizované PLA/PCL CNY by mohly fungovat jako biokompatibilní antibakteriální chirurgické šicí materiály. Výsledky tohoto výzkumu představují pokrok v péči o pacienty zavedením chirurgických nití nové generace se zvýšenou funkčností a antimikrobiálními vlastnostmi. Tato práce navíc připravuje "půdu" pro budoucí aplikace v tkáňovém inženýrství, filtraci, nositelné elektronice a senzorech.

Abstract:

Surgical sutures are widely used biomaterials in healthcare for closing wounds and providing necessary support during healing. However, suture implantation can lead to biofilm formation and infections, resulting in surgical site infections (SSIs), which are the second most common infections in healthcare. Additionally, current commercial sutures are microfibrous assemblies over 10 ?m in diameter, failing to replicate the nanoscale structure of the extracellular matrix (ECM). This disparity results in poor cell interactions and suboptimal therapeutic outcomes, particularly for tendons and ligaments. Despite being a critical biomaterial, no groundbreaking advancements have been made to enhance suture multi-functionality or provide nanoscale fibrillar support for cellular activities. This dissertation is an attempt to advance this area of science, research, and development by addressing these gaps and proposing innovative solutions through the development of functional braided composite nanofibrous yarns (CNYs). The fabrication process involves two steps: first, CNYs with a submicron electrospun sheath on a micro-scale core yarn are produced using alternating current (AC) electrospinning, a technique pioneered by Lukas, Pokorny, and Beran's team, enabling efficient CNY production at 30 m/min. Second, these CNYs are braided to enhance their mechanical properties. The core microfilaments provide mechanical support for wound closure, while the fibrous sheath mimics the ECM, facilitating cellular activities and allowing the incorporation of antibacterial agents like chlorhexidine (CHX) or triclosan (TRC) to accelerate healing. This dissertation demonstrates the continuous fabrication of various antibacterial braided CNYs. Initial experiments utilized pristine and CHX-loaded polyamide6 (PA6) and polyurethane (PU) electrospun fibers for the sheath layer, with PA micro-yarns as the core. The second approach involved blends of polycaprolactone and polylactic acid (PCL-PLA) and PCL-PLA with CHX or TRC for the sheath layer, using PLA micro-yarns as the core. The third approach employed pristine PCL and PCL with CHX or TRC for the sheath layer and PLA micro-yarns for the core. Morphological assessments confirmed the successful fabrication of CNYs and braided CNYs, while infrared spectroscopy verified the incorporation of CHX or TRC in the yarns. The braided CNYs demonstrated robust breaking forces (29 N) and high thermal stability. Tests for cytotoxicity and antibacterial properties indicated that CHX-loaded PA6 CNY, braided PLA/PCL-PLA CNY, and TRC-loaded PLA/PCL CNY could function as biocompatible, antibacterial surgical sutures. The outcomes of this research aim to advance surgical techniques and patient care by introducing next-generation sutures with enhanced functionality and antimicrobial capabilities. Additionally, this work sets the stage for future applications in tissue engineering, filtration, wearable electronics, and sensors.

Keywords

AC electrospinning, Splétání, Kompozitní nanovlákenná příze, Příze jádro-plášť, Chirurgická niť.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 24. 6. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. RNDr. David Lukáš, CSc.

Technická univerzita v Liberci

Fakulta textilní

Doktorský studijní program / obor:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering