Development and optimization of biomimetic PCL electrospun scaffolds for cartilage tissue engineering

Abstract

As lesões na cartilagem articular são um grande problema da sociedade actual. A engenharia de tecidos da cartilagem é uma alternativa emergente aos procedimentos da medicina tradicional, produzindo estruturas porosas biomiméticas capazes de mimetizar a organização estrutural das fibras de colagénio, dependentes de profundidade, da cartilagem articular nativa. O presente trabalho, pretendia não só optimizar o tamanho dos poros da estrutura fibrosa electrofiada das várias zonas que compõem as estruturas porosas 3D anisotrópicas, desenvolvidas anteriormente pelo grupo de investigação da equipa de supervisão, como também recombinar estas zonas electrofiadas em arquitecturas fibrosas 3D alternativas. Para atingir este objectivo, três diferentes zonas de Policaprolactona (PCL) electrofiado foram montadas em diferentes arranjos dentro do hidrogel de óxido de grafeno (GO)-colagénio de modo a serem capazes de providenciar uma malha porosa apta para protocolos de cultura de células, depois do processo de liofilização. Estas estruturas porosas de PCL-GO-colagénio foram caracterizadas de forma a avaliar a influência do tamanho e orientação das fibras nas propriedades finais da estrutura 3D. Foram feitos testes de biocompatibilidade com condrócitos em cultura estática nas diferentes zonas fibrosas que compõem a estrutura porosa. Apesar dos resultados de biocompatibilidade serem promissores, estes mostraram que existe necessidade de continuar a optimização da porosidade das zonas fibrosas de forma a promover/facilitar a migração celular através da estrutura porosa antes de se fazer ensaios de culturas celulares em ambiente dinâmico num bioreactor.

Injuries of the articular cartilage are a huge problem in the present society. Cartilage tissue engineering is emerging as an alternative to traditional medical procedures by producing biomimetic scaffolds capable of mimicking the depth dependent nanostructural organization of the fibrous collagen network of the native articular cartilage. This work intended not only to optimize the pore size of the fibrous electrospun zones that comprise a 3D anisotropic scaffold previously developed by the research group of the supervision team, but also to recombine these electrospun zones in alternative fibrous 3D architectures. To achieve this goal, three electrospun polycaprolactone (PCL) zones were assembled in different arrangements within a graphene oxide (GO)-collagen hydrogel capable of providing a suitable porous network for cell culture protocols after a lyophilisation process. These PCL-GO-collagen scaffolds were characterized with the purpose of evaluating the influence of the fibres size and orientation on the final properties of these 3D structures. Preliminary biocompatibility tests on the different fibrous zones that compose the scaffolds were assessed with chondrocytes static cultures. Although the biocompatibility results were promising, the outcomes showed the need of the continuous optimization of the porosity of the scaffold fibrous zones in order to promote/facilitate the cell migration through the whole scaffold before starting the dynamic cell culture in a bioreactor