Electromechanical Poly(L-lactic acid) PLLA platforms for regenerative medicine

Abstract

The discovery of piezoelectricity in bone by Fukada brought to light the idea of using piezoelectrics to enhance bone growth. Piezoelectric polymers like poly (L-lactic) acid (PLLA), a synthetic semi-crystalline polyester combining adjustable biodegradability and physical properties, stands out and therefore can be used as scaffolds for bone regeneration. In addition, some PLLA products have been approved for implantation in human body by the Food and Drug Administration (FDA). In the present work PLLA films with different crystallinities and thicknesses were produced in order to improve the dielectric properties and cellular adhesion. The maximum crystalline degree obtained was 35%. A complete characterization of PLLA films with different thicknesses and crystallinities was performed. The dielectric analysis included permittivity, dielectric loss and polarization. The highest relative permittivity value was 52.58 for amorphous samples at 120 ºC and 153 kHz. Dielectric loss reached its maximum at 27 ºC for a frequency of 1 MHz, being the value 1.64 on crystalline films. Polarization was studied by the technique Thermal Stimulated Depolarization Currents (TSDC), a method that measures polarization through thermal stimulus. In terms of polarization, the values increase proportionally with crystallinity, being the highest values 180 μC/cm2 on crystalline samples polarized during half an hour. In addition to cell-based assays, exists the metabolomics studies, a powerful tool since it can provide detailed information on the specific metabolic pathways responding and adapting to each of the selected material formulations. The work carried out in this project is the first stage of a wider program including in vitro biological characterization. It is presented the first metabolomics study using human osteoblasts in contact with piezoelectric PLLA, on PLLA standard films with 3% crystallinity, negatively poled.

A descoberta da piezoeletricidade no osso por Fukada levou à ideia de usar materiais piezoeléctricos para melhorar o crescimento ósseo. Polímeros piezoeléctricos como o poli (L-ácido láctico) (PLLA), um poliéster semicristalino sintético que combina biodegradabilidade e propriedades físicas ajustáveis, destacam-se pois podem ser utilizados como estruturas temporárias para a regeneração óssea. Para além disso, alguns produtos feitos à base de PLLA estão já aprovados para implantação no corpo humano pela Food and Drug Administration (FDA).Neste trabalho foram produzidos filmes de PLLA com diferentes cristalinidades e espessuras com o intuito de melhorar as propriedades dielétricas do material e a adesão celular. O grau de cristalinidade máximo obtido foi de aproximadamente 35%. Efectuou-se uma caracterização completa dos filmes com diferentes cristalinidades e espessuras. As medidas dielétricas realizadas abrangeram permitividade relativa, perda dielétrica e polarização. O valor mais alto de permitividade relativa medido foi de 52,58 para o filme amorfo, a 120 ºC e 153 kHz. A perda dielétrica atingiu o seu máximo nos filmes cristalinos aos 27 ºC para uma frequência de 1 MHz, com o valor de 1,64. A polarização foi estudada segundo a técnica TSDC (Thermal Stimulation Depolarization Current), um método que mede a polarização do material através do estímulo térmico. Em termos de polarização os valores aumentaram proporcionalmente com a cristalinidade, sendo o mais elevado 180 μC/cm2 para as amostras cristalinas polarizadas durante meia hora. Para além dos ensaios celulares, existe a metabolómica, hoje em dia uma ferramenta poderosa pois pode fornecer informações detalhadas sobre as vias metabólicas específicas que respondem e permitem a adaptação celular a cada uma das formulações de materiais selecionados. O trabalho realizado neste projecto constitui a primeira etapa de um programa mais amplo de caracterização biológica in vitro. É apresentado o primeiro estudo de metabolómica, utilizando osteoblastos humanos, em contato com o piezoelétrico PLLA, utilizando filmes de PLLA standard, 3% de cristalinidade, polarizados negativamente.