Biomimetic engineering of multilayered freestanding membranes with tunable mechanical properties for regenerative patches

Abstract

Desde a sua introdução, em meados dos anos 90, a técnica de Layer-by-Layer tem sido muito utilizada para a produção hierárquica de filmes com múltiplas camadas. É um método versátil e económico que consiste na deposição alternada de diversos materiais sobre um substrato através de forças eletrostáticas e/ou não eletrostáticas. Quando o substrato utilizado possui baixa tensão superficial, este facilita a remoção do filme sem recorrer a qualquer tipo de ajuda externa, permitindo assim a obtenção de membranas autossustentadas. Este tipo de biomaterial pode ser utilizado para mimetizar microestruturas encontradas na natureza ou para aplicação em medicina regenerativa. A inspiração em fenómenos naturais ou até mesmo em organismos é uma forma promissora de obter biomateriais com características únicas, uma área conhecida como biomimetismo. Tendo em conta tudo isto, a alforreca é um animal marinho que possui na sua estrutura uma matriz particularmente dura, porém gelatinosa chamada de mesogleia. Tendo isso em conta, o trabalho aqui apresentado visa a produção de um novo tipo de membranas estratificadas através de biopolímeros de origem marinha como é o caso do quitosano (CHT) e do alginato (ALG). Para simular a estrutura porosa da mesogleia, estes polissacarídeos foram quimicamente modificados com grupos metacrilados (MA) e a sua modificação foi confirmada através da caracterização espectroscópica por RMN e ATR-FTIR. Posteriormente, dois tipos de membranas intercaladas (CHT/ALG/CHT-MA/ALG-MA) foram produzidas e posteriormente fotorreticuladas. 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 boa interação eletrostática entre o CHT e ALG, bem como entre os polissacarídeos modificados. Uma vez que a alforreca apresenta boas propriedades mecânicas mesmo sendo constituída por quase 99% de água, todas as membranas foram caracterizadas quanto à capacidade de absorção de água, bem como ensaios mecânicos de tração. Assim como a mesogleia da alforreca, as membranas, quando imersas numa solução aquosa mostram alta capacidade de absorção. Por outro lado, enquanto que as membranas de (CHT/ALG)200 apresentam um modulo de Young superior, as membranas intercaladas alcançam uma maior extensão. Finalmente, as imagens de SEM mostram que as membranas intercaladas (10/10)200 apresentam uma estrutura mais porosa quando comparadas com as membranas (CHT/ALG)200, evidenciando, portanto, mais semelhanças com a estrutura da mesogleia presente na alforreca

Methods for producing multilayered thin films have garnered a powerful scientific interest due to their potential for reinventing multifunctional materials in emerging research fields, like optics, energy, membranes and also biomedicine. Since its introduction in the early 90’s, layer-by-layer (LbL) assembly is a versatile method based on the sequential deposition of multivalent materials over an underlying substrate, coordinated by electrostatic and/or non-electrostatic forces. Also, when the substrate possesses low surface energy, it allows for easy film removal without resorting to any postprocessing steps, thus allowing the production of free-standing (FS) membranes. Such membranes can be used across several research fields with different applications such as biomimetic membranes and regenerative medicine. Taking inspiration from natural phenomena and living organisms is a promising way of designing and rethinking novel materials with unique features, a thriving research area known as biomimetics. Regarding this, jellyfish is a free-swimming marine organism with a particularly tough, yet gelatinous matrix called mesoglea. Inspired by this, the thesis work here presented envisions the design of novel multilayered FS membranes resorting to marine-derived biopolymers. In order to mimic the jellyfish´s mesoglea porous structure, chitosan (CHT), a polycation derived from marine crustaceans, and alginate (ALG), a polyanion derived from brown-algae, were initially modified with pendant methacrylic groups (MA). The successful synthesis of both modified polymers was confirmed by means of 1H NMR and ATR-FTIR characterization. Afterwards, aiming to recapitulate the jellyfish structure, two types of intercalated (CHT/ALG/CHT-MA/ALG-MA) membranes were produced by selective photocrosslinking. As for the deposition conditions of the natural polymers, zeta potential analysis assured the positive and negative charge of the biopolymers, whereas quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) demonstrated effective layer deposition of CHT/ALG, as well as among modified polysaccharides. Moreover, jellyfish is able to maintain great mechanical properties even though it is constituted of nearly 99% wt. of water. Thus, water uptake ability and tensile tests were performed in all of the produced membranes. The FS biomimetic membranes, just like jellyfish’s mesoglea, when immersed in a water-like solution show a high-water uptake ability. In addition, (CHT/ALG)200 membranes appear to have a higher Young's modulus when compared to the intercalated ones, however, these last ones achieved a greater elongation profile. Finally, scanning electron microscopy images indicate that the bioinspired intercalated membranes (10/10)200 appear to have a more porous structure than unmodified control ones, therefore resembling the jellyfish’s mesoglea anisotropic structure