Biomimetic design of multistructural hydrogels for biomedical purposes

Abstract

The extracellular matrix (ECM) of load-bearing soft tissues is characterized by a welldefined and complex architecture which is responsible for its high mechanical performance. Inspired by the native ECM of living tissues, we demonstrate the possibility to fabricate tough and cytocompatible hydrogels from a single polymeric precursor formulation and under physiological conditions. The designed systems were synthesized through an adapted Double-network (DN)-based methodology combining chemical and physical crosslinking mechanisms. Such multifunctional devices were able to withstand an impressive compressive stress in the same order of magnitude as the ones found in native load-bearing soft tissues, highlighting their potential for the repair of these tissues. Further improvements on the former DN-based hydrogel were made in order to achieve highly hydrated biomaterials with other advantageous properties for biomedical purposes, including self-healing and injectability. Inspired by the lotus-leaf liquid-repellence, our group proposed a simple, straightforward and cost-effective tool to produce spherical polymeric particles above artificial superantiwetting surfaces. In this thesis, this biomimetic strategy was used to fabricate a large variety of natural-based hydrogel spherical systems with distinct macroscopic structures. First, reversible superamphiphobic (SA) surfaces were fabricated by covering a substrate with specifically designed microcapsules entrapping magnetic particles. The main advantage of using magnetic responsive particles is the ability to control their arrangement and fixation over the substrate by applying an external magnetic field. The produced non-permanent SA surfaces were successfully employed to fabricate water/oil repellent surfaces, liquid marbles and microfluidic channels and, also used as templates for the fabrication of spherical particles. Second, SA surfaces were successfully employed as supports to produce spherical polymeric microparticles with potential as cell and drug carriers. The proposed strategy consists in spraying a hydrogel precursor solution over a SA surface followed by a crosslinking mechanism. Next, hierarchical systems were also created via the assembly of polymeric spherical particles induced by these artificial SA substrates under physiological conditions. Finally, SA surfaces were successfully employed to fabricate ready-to-use and stable liquefied capsules enclosing different objects, such as cells and drugs. All these bioinspired strategies are poised to usher the development of the next generation of engineered hydrogel devices for biomedicine and tissue engineering.

A matriz extracelular dos tecidos moles é caraterizada por uma estrutura definida e complexa, sendo responsável pelas suas extraordinárias propriedades mecânicas. Usando a matriz extracelular como inspiração, foi demonstrada a possibilidade de produzir hidrogéis robustos e citocompatíveis sob condições fisiológicas. Os materiais obtidos foram sintetizados através de uma adaptação da metodologia Double-network (DN), combinando mecanismos de reticulação físicos e químicos. Estes sistemas multifuncionais são capazes de suportar tensões mecânicas na mesma ordem de grandeza das encontradas nos tecidos estruturais do corpo, o que reforça o potencial destes biomateriais hidratados para reparar estes mesmos tecidos. Estes géis DN foram melhorados de modo a obter materiais com outras características importantes para aplicações biomédicas, nomeadamente a capacidade de se autorrepararem e serem administrados através de estratégias minimamente invasivas, como por injeção. Adicionalmente, o nosso grupo desenvolveu uma nova metodologia, inspirada pela capacidade de a folha de lótus repelir líquidos, para produzir partículas poliméricas com uma forma esférica. Esta técnica consiste em dispensar uma solução polimérica sobre uma superfície com extrema repelência a líquidos e, de seguida, um processo de reticulação é aplicado à gota polimérica de modo a reter a sua forma esférica. Nesta tese, esta estratégia biomimética foi usada para fabricar diversos sistemas esféricos com variadas estruturas macroscópicas. Primeiro, superfícies reversíveis e superanfifóbicas (SA) foram criadas através da deposição de microcápsulas contendo partículas magnéticas no seu interior sobre um suporte sólido. A principal vantagem de usar partículas sensíveis a campos magnéticos é a possibilidade de controlar a sua posição e fixação a um suporte usando um íman. Estas superfícies SA foram usadas como suportes para produzir partículas esféricas e canais de microfluídica. De seguida, partículas poliméricas com tamanhos na escala micrométrica foram obtidos, pela primeira vez, usando superfícies SA. A estratégia desenvolvida consiste em dispensar, sob uma superfície SA, uma solução polimérica usando um pulverizador e, de seguida, um mecanismo de reticulação é aplicado de modo a obter hidrogéis esféricos. Adicionalmente, foram também criadas partículas multicompartimentalizadas com uma estrutura hierárquica incorporando as micropartículas produzidas anteriormente. Finalmente, as superfícies SA foram também usadas para obter cápsulas esféricas compostas por uma camada externa polimérica e um núcleo no estado líquido. Diferentes objetos como células e moléculas bioativas podem ser encapsulados no interior das partículas anteriores, reforçando o seu potencial biomédico. É antecipado que todas estas estratégias biomiméticas sejam importantes para o desenvolvimento da nova geração de hidrogéis com potencial em biomedicina e engenharia de tecidos.