Hydrogel/electrospun scaffold with 3D gradients intended for cell guidance in bone tissue engineering

Abstract

Scaffolds para a Engenharia de Tecidos (ET) representam hoje em dia a principal estratégia nas terapias de reparação e regeneração óssea. Estas estruturas, actuam essencialmente como materiais de suporte à formação de tecido. São tipicamente semeadas com células e ocasionalmente com factores de crescimento, proporcionando desta forma uma matriz extra-celular (MEC) artificial e temporária para as células formadoras de osso, os osteoblastos. Nano-fibras de policaprolactona (PCL) obtidas por eletrofiação e hidrogéis à base de péptidos auto-agregantes (self-assembling peptides - SAPs), já demonstraram o seu potencial para funcionarem como MECs artificiais, capazes de promoverem a adesão e a captação celular. A combinação de ambos os sistemas na forma de um material compósito para suporte de células em engenharia de tecido ósseo revelou ser bemsucedida. Este trabalho descreve a produção de um novo substituto ósseo poroso destinado a promover a penetração de osteoblastos. O substituto consiste numa arquitectura 3D com camadas alternadas de fibras de PCL com hidrogel, e decorado com sinalizadores químicos para favorecer a orientação celular. Esta estrutura explora a capacidade das nano-fibras de PCL para imobilizar moléculas adesivas, após um tratamento superfical apropriado, com a possibilidade de introduzir moléculas solúveis, tais como factores de crescimento, no hidrogel. O tratamento superficial foi realizado por plasma à pressão atmosférica, para reduzir a hidrofobicidade das fibras de PCL, resultando num ângulo de contacto com a água de 0º, demonstrando assim a sua eficácia. Este tratamento permitiu a deposição de grupos amina capazes de interagir com os grupos aldeído presentes no fragmento da vitronectina humana (351-359), uma sequência adesiva que promove a adesão específica de osteoblastos. Os resultados da viabilidade celular demonstraram que a adesão celular dependia da concentração de HVP, não dependendo do tratamento superficial por plasma. Um scaffold decorado com moléculas bioactivas ordenadas de forma a fornecer um gradiente de sinalizadores químicos para as células foi montado e comparado com um scaffold para controlo, o qual não incluiu nenhuma espécie de moléculas bioactivas. Ambos resultaram numa espessura total de cerca de 0,30 mm. A análise por microscopia confocal revelou que as células migraram ao longo da espessura dos scaffolds até, pelo menos, 50 μm de profundidade, e a utilização de moléculas bioactivas mostrou-se benéfica em termos de proliferação celular.

Scaffolds for Tissue Engineering (TE) represent nowadays the leading strategy for bone reconstruction and regeneration therapies. The scaffolds essentially act as templates for tissue formation and are typically seeded with cells and occasionally with growth factors, providing a temporary and artificial extra cellular matrix (ECM) for boneformation cells - the osteoblasts. Polycaprolactone (PCL) nanofibres obtained by electrospinning and hydrogels from self-assembling peptides (SAPs) have already demonstrated their potential as artificial ECM capable to promote cell attachment and uptake; and the combination of both systems as a composite material has been shown to provide successful results in supporting cells functions in bone TE. In this work, the bottom-up production of a novel bone substitute construct intended to promote osteoblasts penetration is described. The substitute is composed by a multilayer scaffold with alternated layers of electrospun PCL fibres and hydrogels from SAPs in a 3D architecture decorated with appropriate chemical guidance cues. This structure explores the advantages of PCL nanofibres to immobilize adhesive molecules after an appropriate surface treatment, and the possibility of hydrogels to incorporate soluble molecules, such as growth factors. Surface treatment done by atmospheric pressure plasma efficiently reduced the hydrophobicity of the PCL matrices, resulting in a water contact angle of 0º. This treatment allowed the deposition of functional amino groups able to interact with the aldehyde groups presented in the fragment of human vitronectin (351-359), an adhesive sequence that promotes the specific adhesion of osteoblast-like cells. Cell adhesion results, demonstrated that cell attachment is concentration-dependent of the HVP molecule, and does not depend on the plasma surface treatment itself. A functionalized scaffold decorated with bioactive molecules orderly disposed in a gradient, was assembled and compared with a control scaffold, which did not comprise any type of biofunctionalization. Both resulted in a thickness of around 0.30 mm. Confocal microscope analysis showed that cells could migrate, at least, to a depth of 50 μm for both scaffolds, presenting a higher proliferation in the functionalized one, suggesting the efficiency of the bioactive molecules to sustain the cellular viability.