Bioengineering of nanostructured systems based on nature-inspired surfaces for regeneration of human tissues

Abstract

Modular tissue engineering aims to mimic the complexity of native tissue with well-defined 3D architectures and synergistic interactions of various cell lines by generating repeated functional modular units that will be assembled into a functional tissue. These modular blocks should exhibit specific microstructural characteristics to mimic the complex architecture of native tissues. For the direct production of modular units, patterned superhydrophobic-superhydrophilic (SH-SL) surfaces have emerged as promising platforms for scalable manufacturing of microscale modular units to develop functional tissues designed by the bottom-up approach. In this sense, and inspired by the Lotus effect, the present work aims at the production of freestanding (FS) stratificated micromembranes based on polyl- lysine (PLL) and alginate (ALG) biopolymers through the Layer-by-Layer (LbL) methodology. For this purpose, initially microscale SH-SL surfaces with different geometric shapes were developed. Subsequently, alginate hydrogels were formed in situ by the standing droplet method in the SL areas that served as a sacrificial template to the production of freestanding membranes by sequential deposition of electrolytes through electrostatic interactions. Regarding the deposition conditions of the polymers, in the zeta potential analysis, the charges of each compound were verified, while the quartz microbalance (QCM-D) showed the electrostatic interaction between PLL and ALG. ATR-FTIR analysis confirmed the presence of polymers in the resulting membrane. After detachment, the resulting membranes crosslinked with genipin (GnP) to improve mechanical properties to promote cell adhesion and proliferation. Biological assays with human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and human adipose stem cells (hASCs) showed that the crosslinked [PLL / ALG]100 membranes show cellular viability.

A engenharia modular de tecidos visa mimetizar a complexidade do tecido nativo com arquiteturas 3D bem definidas e interações sinérgicas de várias linhas celulares através da geração de unidades modulares funcionais repetidas que serão montadas em um tecido funcional. Esses blocos modulares devem exibir características microestruturais específicas para imitar a arquitetura complexa de tecidos nativos. Para a produção direta de unidades modulares, as superfícies superhidrofóbicas-superhidrofílicas (SHSL) padronizadas surgiram como plataformas promissoras para uma fabricação escalável de unidades modulares à microescala para desenvolver tecidos funcionais projetados pela abordagem bottom-up. Neste sentido, e inspirado no efeito de Lotus, o presente trabalho visa a produção de micromembranas autónomas estratificadas baseadas nos biopolímeros poli-llisina (PLL) e alginato (ALG) através da metodologia Layer-by-Layer (LbL). Para este propósito, inicialmente foram desenvolvidas superfícies SH-SL padronizadas à microescala com diferentes formas geométricas. Posteriormente, hidrogéis de alginato foram formados in situ pelo método standing droplet nas áreas SL que serviram de template de sacrifício para a produção de membranas autónomas pela deposição sequencial dos polieletrólitos através de interações electrostáticas. Relativamente às condições de deposição dos polímeros, na análise do potencial zeta verificaram-se as cargas de cada composto, enquanto que a microbalança de quartzo (QCM-D) evidenciou a interação eletrostática entre a PLL e o ALG. A análise por ATR-FTIR, confirmou a presença dos polímeros na membrana resultante. Após o destaque, as membranas forma reticuladas com genipina (GnP) para melhorar as propriedades mecânicas a fim de promover a adesão e proliferação celular. Ensaios biológicos com human umbilical vein endotelial cells (HUVECs) e human adipose stem cells (hASCs) evidenciaram que as membranas de [PLL/ALG]100 reticuladas apresentam viabilidade celular.