Development of magnetic microcapsules as dynamic bioreactors for tissue engineering applications

Abstract

As doenças ósseas são um problema que afeta grande parte da população mundial e têm tendência a aumentar no futuro. Apesar de o tecido ósseo ter capacidade de regeneração, quando uma fratura ultrapassa um ponto crítico o osso não possui capacidade de autorreparar esse defeito. Atualmente estes defeitos são tratados a nível médico através da utilização de implantes cerâmicos ou metálicos que originam respostas imunológicas por parte do hospedeiro e como consequência são rejeitados ao fim de algum tempo pós implantação. Além deste facto, a não bioatividade destes biomateriais restringe a reparação total do tecido e a recuperação das suas propriedades biológicas e funcionais. Terapias como a injeção in situ de células encapsuladas em biomateriais bioativos e biodegradáveis para aplicação na regeneração óssea têm surgido nos últimos anos como uma abordagem alternativa e vantajosa. Neste contexto, os sistemas capsulares apresentam-se como os mais vantajosos pois não só protegem as células administradas, mas também permitem a troca de nutrientes/metabolitos de uma forma eficaz. Este facto garante a viabilidade do sistema ao longo de maiores períodos de tempo, contribuindo assim para uma melhor regeneração do tecido lesado. No entanto, a implantação de microcápsulas contendo células tem-se revelado bastante desafiante devido à sua fraca interação com os tecidos circundantes, sendo comum o seu deslocamento do local inicial da implantação. Como forma de ultrapassar estas limitações, este trabalho teve como objetivo desenvolver uma cápsula magneticamente responsiva como sistema de entrega de células aderidas a micropartículas. A inclusão de reposta a estímulos magnéticos tem como objetivo permitir a fixação das cápsulas in situ no local de implantação através da utilização de um campo magnético externo. Para tal foram inicialmente produzidas nanopartículas magnéticas de óxido de ferro (≈42.69 nm), que foram ressuspendidas numa solução de Policaprolactona que por emulsão óleo-em-água deram origem a micropartículas magneticamente responsivas (μPCL[MNPs]) cujo tamanho médio foi de 40.5±13.2 μm antes de serem peneiradas. A gama de tamanhos a ser utilizada foi de 40-63μm para potenciar a adesão celular daí a necessidade de peneirar as partículas (55.3±9.00 μm). As micropartículas μPCL[MNPs] foram depois sujeitas a um revestimento de colagénio I para promover a adesão de células pre-osteoblásticas (MC3T3-E1) após a encapsulação. A encapsulação foi feita utilizando uma mistura de alginato, μPCL[MNPs] e células, que por gelificação ionotrópica originou a formação de estruturas esféricas como demonstrado pelas imagens de microscopia ótica. As microesferas foram posteriormente sujeitas a um processo de revestimento por deposição sequencial de polielectrólitos utilizando a técnica camada-a-camada (LBL). Esta abordagem permitiu a obtenção de cápsulas com um núcleo liquefeito e com integridade devido ao seu revestimento LBL. De seguida foi avaliada a viabilidade celular e a atividade metabólica das células encapsuladas. Resumindo, as cápsulas produzidas mantiveram a viabilidade celular e atividade metabólica ao longo de 7. Estudos ex vivo demonstraram que a utilização de um campo magnético externo permite a fixação das cápsulas no local onde foram colocadas mesmo quando sujeitas a lavagem com um fluído. Os resultados obtidos evidenciam que é possível fixar as cápsulas in situ após serem implantadas e abrem a oportunidade de utilizar estes sistemas em aplicações biomédicas no futuro próximo

Bone related disorders are a problem which affects most of the world population with a tendency to increase. Although the bone tissue has regenerative capacity, when a fracture exceeds a critical point the bone does not have the capacity to self-repair this defect. Currently these defects are treated at the medical level using ceramic or metallic implants which give rise to immune responses by the host and as a consequence are rejected after some time after implantation. Furthermore, the non-bioactivity of these biomaterials restricts the total repair of the tissue and the recovery of its biological and functional properties. Therapies such as the in situ injection of cells encapsulated in bioactive and biodegradable biomaterials have emerged in recent years as an alternative and advantageous approach for bone regeneration. In this context, capsular systems are the most advantageous because they not only protect the cells administered, but also allow the exchange of nutrients / metabolites in an effective way. This ensures the viability of the system over longer periods of time, thus contributing to a better regeneration of the damaged tissue. However, the implantation of microcapsules containing cells has proved to be quite challenging because of its poor interaction with surrounding tissues, and its displacement from the initial site of implantation is common. As a way of overcoming these limitations, this work aimed to develop a magnetically responsive capsule as a delivery system for cells adhered to microparticles. The inclusion of a response to magnetic stimuli aims to allow the capsules to be fixed in situ at the implantation site through an external magnetic field. For this purpose, iron oxide magnetic nanoparticles (≈42.69 nm) were initially produced, which were resuspended in a solution of polycaprolactone which, by oil-in-water emulsion, gave rise to magnetically responsive microparticles (μPCL [MNPs]) with an average size of 40.5 ± 13.2 μm. The range of sizes to be used was 40-63μm to enhance cell adhesion, hence the need to sieve the particles (55.3 ± 9.00 μm). Microparticles μPCL [MNPs] were then subjected to a coating of collagen I to promote adhesion of pre-osteoblastic cells (MC3T3-E1) after encapsulation. The encapsulation was done using a mixture of alginate, μPCL [MNPs] and cells, which by ionotropic gelation gave rise to the formation of spherical structures as demonstrated by optical microscopy images. The microspheres were then subjected to a coating process by sequential deposition of polyelectrolytes using the layer-by-layer (LBL) technique. This approach allowed to obtain capsules with a liquefied nucleus and with integrity due to their coating LBL. Cell viability and metabolic activity of the encapsulated cells were then evaluated. In summary, the capsules produced maintained cell viability and metabolic activity over 7 years. Ex vivo studies demonstrated that the use of an external magnetic field allows the capsules to be fixed where they were placed even when subjected fluid wash. The results show that it is possible to fix the capsules in situ after being implanted and open the opportunity to use these systems in biomedical applications in the near future