Dual porosity 3D printed scaffolds to modulate the immune response

Abstract

Besides the advanced knowledge on the fabrication of complex implant biomaterials, modulating the host response is still an unmet challenge in medical applications. The main regulators of this response are the macrophages that can polarize from a pro-inflammatory (M1) phenotype to an anti-inflammatory phenotype (M2) and affect the path of the immune response. Nowadays, strategies to influence macrophage activation for regenerative medicine are being explored to better understand their complex role. Ideally, this modulation would be achieved by altering the physicochemical properties (e.g. stiffness, porosity, topography) of a biomaterial without the addition of exogenous cytokines, growth factors or complicated cell therapies. Thus, this work aimed to create 3D-printed scaffolds with dual porosity and controllable topography, that can tune the foreign body response, fabricated from additive manufacturing and Thermally Inducible Phase Separation (TIPS). Two polymers of Poly(ε-caprolactone-co-lactide) (PCLLA) with different crystallinity were used to fabricate the scaffolds and showed higher porosity and surface roughness than Fused Modelling Deposition (FDM) scaffolds. 3D-TIPS scaffolds, that were rougher and more porous, showed higher cell adhesion and decrease of pro-inflammatory cytokine, TNF-α, comparing to FDM scaffolds. From the in vivo results, scaffolds from the amorphous PCLLA composition showed greater degradation than the more crystalline one, resulting in denser fibrous capsule around the biomaterial. 3D-TIPS scaffolds also showed more cell infiltration inside the fibers suggesting interconnected pores, but FDM scaffolds showed great capacity for cell infiltration by its porosity on the z-axis on the more crystalline polymer. Together, these data indicate a great potential for 3D-TIPS scaffolds to supress pro-inflammatory phenotype comparing with FDM, by increased roughness and porosity.

Além do conhecimento avançado sobre a fabricação de biomateriais complexos, a modulação da resposta do hospedeiro ainda é um desafio em aplicações médicas. Os principais reguladores dessa resposta são os macrófagos que podem polarizar de um fenótipo pró-inflamatório (M1) para um fenótipo anti-inflamatório (M2) e afetar a resposta imune. Atualmente, estratégias para influenciar a ativação de macrófagos para a medicina regenerativa são exploradas para melhor entender o seu papel complexo. Idealmente, esta modulação seria conseguida alterando as propriedades físico-químicas (por exemplo, rigidez, porosidade, topografia) de um biomaterial sem a adição de citocinas exógenas, fatores de crescimento ou terapias celulares complicadas. Assim, este trabalho teve como objetivo criar scaffolds impressos em 3D com porosidade dupla e topografia controlável, que podem ajustar a resposta de corpos estranhos, fabricados a partir de manufatura aditiva e TIPS (Separação de Fases Termicamente Induzida). Dois polímeros de poli(ε-caprolactona-co-lactida) (PCLLA) com diferentes cristalinidades foram utilizados para fabricar os scaffolds e apresentaram maior porosidade e rugosidade superficial do que os scaffolds de FDM (Modelagem por Deposição Fundida). Os scaffolds 3D-TIPS, mais ásperos e porosos, apresentaram maior adesão celular e diminuição da citocina pró-inflamatória, TNF-α, em comparação aos scaffolds de FDM. A partir dos resultados in vivo, scaffolds da composição amorfa de PCLLA mostraram maior degradação do que a mais cristalina, resultando em cápsula fibrosa mais densa a cobrir o biomaterial. Os scaffolds 3D-TIPS também mostraram mais infiltração celular dentro das fibras, sugerindo poros interconectados, mas os scaffolds de FDM mostraram grande capacidade de infiltração celular pela sua porosidade no eixo z no polímero mais cristalino. Por fim, os dados indicam um grande potencial para os scaffolds 3D-TIPS para suprimir o fenótipo pró-inflamatório comparando com a técnica FDM, pelo aumento da rugosidade e porosidade.