Artificial blood vessels

9 02 2015

Researchers at Shanghai University create tri-layered artificial blood vessels for the first time

By combining micro-imprinting and electro-spinning techniques, researchers at Shanghai University’s Rapid Manufacturing Engineering Center have developed a vascular graft composed of three layers for the first time. This tri-layered composite has allowed researchers to utilize separate materials that respectively possess mechanical strength and promote new cell growth – a significant problem for existing vascular grafts that have only consisted of a single or double layer.

Vascular grafts are surgically attached to an obstructed or otherwise unhealthy blood vessel to permanently redirect blood flow, such as in coronary bypass surgery. Traditional grafts work by repurposing existing vessels from the patient’s own body or from a suitable donor. However, these sources are often insufficient for a patient’s needs because of the limited supply in a patient’s body, and may be afflicted by the same underlying conditions that necessitate the graft in the first place. Accordingly, there has been a great deal of research towards developing synthetic vessels that can mimic natural ones, allowing new cells to grow around them and then degrade away, thereby creating new vessels.

“The composite vascular grafts could be better candidates for blood vessel repair,” said Yuanyuan Liu, an associate professor at the Rapid Manufacturing Engineering Center. Liu’s team had previously worked with bone scaffolds, which are used to repair bone defects, before turning their attention to cardiovascular disease, and thus vascular grafts. They describe their current research in the journal AIP Advances, from AIP Publishing.

As a rule, surrogate scaffolds need to mimic the natural vasculature of their targeted tissue as much as possible. For blood vessel surrogates, this structural mimicry can be fabricated by electrospinning, a process which uses an electrical charge to draw liquid inputs – here a mixture of chitosan and polyvinyl alcohol – into incredibly fine fibers. Electrospinning also allows for a high surface-to-volume ratio of nanofibers, providing ample space for host cells to grow and connect. These components all naturally degrade within six months to a year, leaving behind a new, intact blood vessel.

 

The resulting structure, however, isn’t very rigid – the fly in the ointment for many previous models. To compensate for this, the researchers designed a three-layer model, in which the mixture was electrospun onto both sides of a microimprinted middle layer of poly-p-dioxanone, a biodegradable polymer commonly used in biomedical applications. The ends of this sheet were then folded and attached to make a tube-like vessel.

Liu and her team then seeded the scaffold with rat fibroblast cells, which are ideal candidates because of their ease of cultivation and quick growth rate, to test the scaffold’s efficacy in promoting cellular expansion and integration. The researchers found that the cells on these composite scaffolds proliferated quickly, likely due to the functional amino and hydroxyl groups introduced by the chitosan.

While a good deal of work remains before the prospect of human trials, Liu and her group are optimistic about the future of their research. Their next project is to test the implants in an animal model, to observe the structure’s efficacy with live vascular cells.

 

By John Arnst

 

Article title: Composite Vascular Repair Grafts via Micro-imprinting and Electrospinning

 

Aip.org [en línea] Melville, NYC (USA): aip.org, 09 de febrero de 2015 [ref. 03 de febrero de 2015] Disponible en Internet: http://www.aip.org/publishing/journal-highlights/artificial-blood-vessels



Nuevos retos tecnológicos en biorobótica e ingeniería de rehabilitación

11 10 2010

Josep M. Font Llagunes

CREB – Centre de Recerca en Enginyeria Biomèdica

Universitat Politècnica de Catalunya

http://www.creb.upc.es

La investigación en productos tecnológicos que tengan por finalidad la mejora de la calidad de vida de la población es actualmente estratégica en los planes de investigación y desarrollo (I+D) de muchos países desarrollados. Es por este motivo que cada vez hay más grupos, tanto de universidades como de empresas privadas, que se dedican a proyectos relacionados con el desarrollo de robots humanoides que imitan el movimiento humano (biorobots), o de dispositivos para rehabilitar el movimiento de personas con alguna patología del aparato locomotor. A pesar de la gran cantidad de tiempo y capital humano invertido en estas áreas, aún quedan muchos retos tecnológicos para alcanzar.

En el ámbito de la robótica humanoide, hay dos enfoques claramente diferenciados. El más clásico tiene por finalidad la construcción de robots muy versátiles, que pueden llevar a cabo muchas tareas, pero que por otra parte les falta autonomía debido al elevado coste energético necesario para garantizar la estabilidad de los diferentes movimientos. El enfoque más actual se basa en la construcción de robots que tienen un coste energético muy similar al de la marcha de las personas (limit cycle walkers), lo que favorece su autonomía, pero que por el contrario ofrecen muy poca versatilidad; de hecho, sólo están preparados para caminar. En la actualidad, un reto muy importante es el diseño y desarrollo de “robots híbridos” que combinen los dos enfoques anteriores. Es decir, se debe alcanzar un compromiso entre autonomía energética y versatilidad. Desarrollar robots con mucha autonomía de baterías y, a la vez, suficientemente estables es el objetivo final que deben tener en mente los diseñadores de robots.

En el terreno de la ingeniería de rehabilitación, cada vez hay más investigación en “neurorobótica”, la ciencia que estudia la interacción entre el sistema nervioso central y los sistemas robóticos de asistencia. Sin embargo, el diseño de la mayoría de dispositivos ortésicos todavía se realiza a partir de unas especificaciones dadas, y su control se ajusta por prueba y error haciendo tests sobre el propio paciente. El gran reto es desarrollar herramientas informáticas que permitan simular de forma virtual la dinámica de interacción entre la ortesis diseñada y la persona. De esta manera mejoraría la calidad de vida del paciente, ya que no se le debería molestar tantas veces, y se ahorraría tiempo tanto de médicos e ingenieros, como del mismo paciente. Estas herramientas permitirían, además, ensayar diferentes estrategias de control de los dispositivos y sus efectos sobre el movimiento del paciente. Otro reto muy importante es desarrollar dispositivos de asistencia que sean cómodos y ergonómicos, y que garanticen un coste metabólico bajo del paciente.

Dada la complejidad del estudio de la interacción entre el cuerpo humano y los dispositivos artificiales de asistencia, la consecución de los retos anteriores requiere de equipos muy multidisciplinares en los cuales convivan profesionales del ámbito de la salud (médicos, ortopedas, etc.) con profesionales del sector tecnológico (ingenieros mecánicos, robóticos, de control, electrónicos, biomédicos, informáticos, etc.). La buena coordinación y comunicación entre dichos profesionales son aspectos fundamentales a tener en cuenta para asegurar el éxito de los proyectos.