Investigation Of Waste Paper-Derived Carbon Aerogel/Elastomer System As A Cardiac Patch

Cardiovascular diseases (CVDs) are blamed for the major number of deaths around the world. Among of these is Myocardial Infarction (MI) which occurs when the flow of the blood through one of the coronary arteries is blocked, depriving the cardiomyocytes in the myocardial area under the occlusion from the nutrients and oxygen. If the perfusion does not be restored rapidly, the cardiomyocytes are exposed to chronic damages resulting in a significant cardiomyocyte loss within the myocardium. Since cardiomyocytes lack a self-replication mechanism, they cannot regenerate after such an injury. Therefore, the survivals from the acute MI end up with Heart Failure; where the left ventricle expands and the left ventricle wall becomes thinner. Ultimately, the heart becomes unable to pump a sufficient amount of blood to the different parts of the body, leading finally to the death of the patient. The current therapeutic strategies of heart failure following MI are confined to slowing the progression of the end-state condition. Myocardial Tissue Engineering (MTE) is a newly emerging field in which a combination of healthy cardiac cells and engineered cardiac patch is expected to be an excellent therapeutic strategy to regenerate the infarcted myocardium. However, finding the optimal culture substrate to be a successful cardiac patch is still an open question. Therefore, this study aimed at synthesizing novel conductive elastomer-based composite and evaluate its potential as a cardiac patch for myocardial tissue engineering. In particular, we describe, for the first time, the synthesis of an electrically conductive composite of Carbon Aerogel-embedded poly (glycerol sebacate) (CAPGS) system. In this work, electrically conductive Carbon Aerogel, which is a waste-derived and cost-effective carbon source that its utilization in cardiac tissue engineering applications has not been explored to date, was combined to the biodegradable PGS matrix to obtain a cardiac construct with optimal properties. The resulting composite was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), and Contact Angle Measurements. Furthermore, the mechanical and electrical properties of the developed system as well as the cell-material interactions were also assessed to evaluate the potential of using this novel elastomeric composite as a cardiac patch for myocardial tissue engineering. The results showed that incorporating Carbon Aerogel Microbelts (CAMs) to the polymeric matrix notably enhanced the elastic modulus and the deformability of the developed constructs, making the resulting construct matching the native cardiac tissue in terms of mechanical properties. Moreover, the addition of CAMs made the developed construct electrically conductive with a conductivity value falling within the range of that reported for the human myocardium. In the cellmatrix interaction context, the results of MTT (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5- diphenyltetrazolium Bromide) assay demonstrated that CA-PGS composite showed no cytotoxic effects for the L929 mouse fibroblast cells in vitro. In addition, it was shown that H9C2 rat cardiac myoblast cells attached and proliferated on the composite, which gave further confirmation of composite biocompatibility and its suitability for MTE application. Taking together, it is concluded that our developed system is a promising candidate for myocardial tissue engineering for cardiac repair. Kardiyovasküler hastalıklar, dünya genelinde ciddi sayıda ölümün sorumlusu olarak gösterilmektedir. Bu hastalıklar arasında yer alan miyokard enfarktüsü, koroner arterlerden birinde kan akışı bloke olduğunda meydana gelmekte ve tıkanmaya maruz kalan miyokard alanındaki kardiyomiyositleri, besin ve oksijenden mahrum bırakmaktadır. Perfüzyonun kısa süre içinde onarılmaması halinde, kardiyomiyositlerde kronik hasar meydana gelmekte ve bunun sonucunda, miyokard içerisinde önemli düzeyde kardiyomiyosit kaybı yaşanmaktadır. Kardiyomiyositlerde herhangi bir kendini kopyalama mekanizması bulunmadığı için, bu tip bir hasar sonrasında düzelmeleri mümkün olmamaktadır. Dolayısıyla, akut miyokard enfarktüsünü sağ atlatanlarda, sol ventrikülün büyüdüğü ve sol ventrikül duvarının inceldiği bir kalp yetmezliği durumu baş göstermektedir. Nihayetinde, kalp tarafından vücudun farklı bölümlerine yeterli miktarda kan pompalanması olanaksız hale gelmekte ve son olarak hasta kaybedilmektedir. Akut miyokard sonrası gelişen kalp yetmezliğine dönük mevcut tedavi stratejileri, sözünü ettiğimiz son evrenin ortaya çıkış sürecini yavaşlatmakla sınırlıdır. Günümüzde yeni yeni gelişen Miyokardiyal Doku Mühendisliği yaklaşımında, sağlıklı kardiyak hücreler ile yapay kardiyak yamanın birleştirilmesi sayesinde, enfarktüs geçirmiş miyokardın kendini yenilemesini sağlayacak mükemmel bir tedavi stratejisinin ortaya çıkması umulmaktadır. Bununla birlikte, başarılı bir kardiyak yama meydana getirecek en uygun kültür substratı henüz bulunabilmiş değildir. Dolayısıyla, bu çalışmada, yeni iletken elastomer esaslı kompozitin sentezlenmesi ve miyokardiyal doku mühendisliğinde kardiyak yama olarak kullanımına dönük potansiyelin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Özellikle, Karbon Aerojel-Poli (Gliserol Sebakat) (CA-PGS) sisteminde elektriksel açıdan iletken bir kompozitin sentezlenmesi ilk olarak bu çalışmada açıklanmaktadır. Çalışmada, atık kâğıttan elde edilen uygun maliyetli bir karbon kaynağı niteliğini taşıyan ve kardiyak doku mühendisliği uygulamalarında kullanımı bugüne dek incelenmemiş olan, elektrik iletkenliğine sahip Karbo Aerojel, biyolojik olarak ayrışabilen PGS matrisi ile birleştirilmiş, bu şekilde optimal özelliklere sahip bir kardiyak yapının elde edilmesi hedeflenmiştir. Sonuçta ortaya çıkan kompozit, Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM), Fuorier Dönüşüm Kızılötesi (FTIR) Spektroskopisi, X-ışını Difraksiyonu (XRD) ve Temas Açısı Ölçümleri ile incelenmiştir. Ek olarak, geliştirilen sistemin mekanik ve elektriksel özellikleri, ayrıca hücre-materyal etkileşimleri de bu yeni elastomerik kompozitin, miyokardiyal doku mühendisliğinde bir kardiyak yama olarak kullanım potansiyelini değerlendirmek üzere masaya yatırılmıştır. Sonuçlar, polimerik matrise Karbon Aerojel Mikrokemerlerin (CAMs) dahil edilmesi sayesinde, geliştirilen yapılarda elastisite modülü ve şekil değiştirme yeteneğinin kayda değer ölçüde yükseldiğini, böylece ortaya çıkan yapının, asıl kardiyak dokuya mekanik özellikler açısından uyum sağladığını göstermiştir. Bunun yanında, Karbon Aerojel Mikrokemerlerin eklenmesi, geliştirilen yapıya elektriksel iletkenlik kazandırmış ve iletkenlik değeri, insan miyokardı için bildirilen aralık içinde kalmıştır. Hücre-matris etkileşimi açısından, MTT (3-(4,5-dimetiltiazol-2-il)- 2,5-difeniltetrazolium Bromür) analizinin ortaya koyduğu sonuçlar, CA-PGS kompozitinin, L929 fare fibroblast hücrelerinde herhangi bir in vitro sitotoksik etki geliştirmediğini göstermiştir. Ek olarak, H9C2 sıçan kardiyak miyoblast hücrelerinin kompozite yapıştığı ve orada çoğaldığı gösterilmiş, yine bu da kompozitin biyolojik uyumluluk sergilediğini ortaya koymuştur. Bulgular bir arada değerlendirildiğinde, geliştirilen sistemin, kardiyak onarıma yönelik miyokardiyal doku mühendisliği açısından ümit verici bir aday olduğu sonucuna ulaşılmıştır.