Evaluation of mechanical behavior of Gelatin scaffold improved by Polycaprolactone using Hyperelastic models

การประเมินพฤติกรรมทางกลของโครงสร้างเลี้ยงเซลล์เจลาตินที่ปรับปรุงด้วยพอลิคาโปรแลคโตนโดยใช้แบบจำลองไฮเปอร์อีลาสติก

Name: Nattapong Sangkapong

LCSH: polycaprolactone

LCSH: Gelatin

LCSH: Elastic tissue

LCSH: Transplantation of organs, tissues, etc.

LCSH: Cell transplantation

Abstract: This thesis aimed to study the mechanical properties of gelatin scaffolds enhanced with polycaprolactone in response to compressive and tensile forces. The study led to the determination of the material constants of the modified gelatin scaffold using a hyperelastic model. The stress-strain behavior of the material was analyzed through uniaxial compression and uniaxial tensile tests, conducted in accordance with ASTM (American Society for Testing and Materials) standards. The research began with fabricating the scaffold using the salt leaching method. It was found that incorporating polycaprolactone into the gelatin scaffold significantly increased its thickness compared to the pure gelatin scaffold. The resulting scaffold exhibited uniform porosity with pore sizes ranging from 235 to 265 mm which was suitable for skin cell culture. For the deformation tests, two types of test specimens were fabricated. The compression specimens shape was like a cube-shaped with a thickness of at least 10 mm and a compression load-bearing area of no less than 100 mm². Meanwhile, the tensile specimens shape was like a dog bone, featuring a tensile load-bearing area of at least 20 mm² and a length of 10 mm. After conducting both the compression and tensile tests, the applied force and deformation data were analyzed to establish the stress-strain relationship. The shear modulus was calculated using a hyperelastic model, where curve fitting was applied to align the generated curve with the stress-strain data. Hyperelastic models were classified into two types, Physical based models and Phenomenological models. Among them, the polynomial model which a phenomenological model was found to be the most effective in predicting the deformation behavior of the gelatin/PCL scaffold, as it closely matched the actual test data for both compression and tensile tests. Experimental results showed that the gelatin/PCL scaffold at 80:20 ratio (GP82) exhibited the highest compressive strength, while the gelatin/PCL scaffold at 90:10 ratio (GP91) demonstrated the highest tensile strength. This was attributed to the open cell internal structure, where an increase in PCL content led to a thicker and stronger network structure with enhancing the scaffold’s mechanical properties. The swelling test revealed that the gelatin/PCL scaffold with 80:20 ratio (GP82) exhibited the highest swelling capacity. This characteristic was beneficial for retaining nutrients essential for skin cell culture and maintaining moisture within the scaffold structure. Due to these properties, this material showed potential for application as a skin substitute in tissue transplantation and it could be further utilized in the field of skin tissue engineering.

Abstract: วิทยานิพนธ์ฉบับนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาสมบัติทางกลของโครงสร้างเลี้ยงเซลล์เจลาตินที่ปรับปรุงด้วยพอลิคาโปรแลคโตน ถึงการตอบสนองต่อสภาวะแรงกดและแรงดึง ส่งผลให้นำมาสู่การหาค่าคงที่ของโครงสร้างเลี้ยงเซลล์เจลาตินที่ปรับปรุงด้วยพอลิคาโปรแลคโตนโดยการใช้แบบจำลองไฮเปอร์อีลาสติก โดยศึกษาพฤติกรรมความสัมพันธ์ความเค้นและความเครียดของวัสดุ จากการทดสอบกดการแบบในแนวแกนเดียว และการทดสอบการดึงในแนวแกนเดียว โดยทำการทดสอบตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM (American Society for Testing and Materials) โดยงานวิจัยเริ่มต้นจากการขึ้นรูปโครงสร้างเลี้ยงเซลล์ด้วยวิธีการชะล้างด้วยเกลือ พบว่าโครงสร้างเลี้ยงเซลล์เจลาตินเมื่อเติมพอลิคาโปรแลคโตนส่งผลให้โครงสร้างมีความหนาเพิ่มมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับโครงสร้างเลี้ยงเซลล์เจลาติน มีรูพรุนที่สม่ำเสมอและมีขนาด 235 – 265 ไมครอน ซึ่งมีขนาดที่เหมาะสมกับการเลี้ยงเซลล์ผิวหนัง ในการทดสอบการเสียรูปได้ขึ้นรูปชิ้นงานทดสอบเป็น 2 รูปแบบคือ สำหรับการทดสอบการกด รูปทรงสี่เหลี่ยมลูกบาศก์ขนาดความหนาไม่น้อยกว่า 10 มิลลิเมตร มีพื้นที่รับแรงกดไม่น้อยกว่า 100 ตารางมิลลิเมตร ในส่วนการทดสอบการดึง ขึ้นรูปแบบลักษณะ Dog bone มีพื้นที่รับแรงดึงไม่น้อยกว่า 20 ตารางมิลลิเมตร มีความยาว 10 มิลลิเมตร จากนั้นเมื่อทำการทดสอบการกดและการดึง นำข้อมูลแรงที่กระทำและระยะการเสียรูปมาสร้างเป็นความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียด ในการคำนวณค่าโมดูลัสแรงเฉือน อาศัยแบบจำลองไฮเปอร์อีลาสติก สร้างเส้นโค้งและปรับเส้นโค้งให้ใกล้เคียงกับข้อมูลความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียด ซึ่งแบบจำลองไฮเปอร์อีลาสติก มี 2 ประเภท คือ แบบจำลองที่แทนพฤติกรรมกายภาพ และแบบจำลองที่แทนพฤติกรรมจากการสังเกต พบว่าแบบจำลองโพลีโนเมียลซึ่งเป็นแบบจำลองที่แทนพฤติกรรมจากการสังเกต สามารถทำนายพฤติกรรมการเสียรูปของโครงสร้างเลี้ยงเซลล์เจลาตินและพอลิคาโปรแลคโตนได้เป็นอย่างดี สามารถปรับเส้นโค้งได้ใกล้เคียงกับข้อมูลการทดสอบจริงทั้งการทดสอบการกดและการทดสอบการดึง ผลการทดลองพบว่า เจลาตินและพอลิคาโปรแลคโตนที่อัตราส่วนผสมที่ 80:20 (GP82) สามารถรับภาระแรงกดได้ดีที่สุด และ เจลาตินและพอลิคาโปรแลคโตนที่อัตราส่วนผสมที่ 90:10 (GP91) สามารถรับภาระแรงดึงได้ดีที่สุด เมื่อเทียบกับอัตราส่วนผสมอื่นๆ เนื่องจากโครงสร้างภายในมีลักษณะเป็น open cell ที่มีโครงสร้างเป็นโครงข่ายที่มีความหนาและแข็งแรงมากขึ้นเมื่อเพิ่มปริมาณพอลิคาโปรแลคโตน ผลจากการทดสอบการบวมน้ำ พบว่าเจลาตินและพอลิคาโปรแลคโตนที่อัตราส่วนผสมที่ 80:20 (GP82) มีอัตราการบวมน้ำที่ดีที่สุด ซึ่งเป็นผลดีสำหรับเก็บกักอาหารสำหรับเลี้ยงเซลล์ผิวหนังและรักษาความชุ่มชื้นให้กับโครงสร้างเลี้ยงเซลล์ วัสดุชนิดนี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้โดยการทดลองใช้เป็นวัสดุทดแทนผิวหนังในการปลูกถ่ายเนื้อเยื่อและสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในงานวิศวกรรมเนื้อเยื่อได้

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Nattawit Promma

Role: Advisor

Name: Fasai Wiwatwongwana

Role: Advisor

Name: Wetchayan Rangsri

Role: Advisor

Created: 2025

Issued: 2025-09-22

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Mechanical Engineering

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ใช้เวลา

0.03223 วินาที