Fabrication of two-dimensional (2D) shape-tailored microparticles using wettability contrast-based platforms

Abstract

For several decades microparticles have been exclusively and extensively explored as spherical drug delivery vehicles and large-scale cell expansion carriers. More recently, microparticulate structures gained interest in broader bioengineering fields, integrating a myriad of strategies that include bottom-up tissue engineering, three-dimensional (3D) bioprinting, and development of tissue/disease models. The concept of bulk spherical micrometric particles as adequate supports for cell culture has been challenged, and systems with finely tuned geometric designs and (bio)chemical/physical features are current key players in impacting technologies. In this sense, the discovery of twodimensional (2D) materials led to the breakthrough of a multitude of different low dimensional structures with very unique properties, namely (i) high surface areato-volume ratio, (ii) sub-micrometer thickness, (iii) heterofunctionality and (iv) non-covalent adhesiveness, which surpass their bulk counterparts. Although their development regarding tunable lateral-dimensions and geometries remains challenging, pre-patterned platforms had gain significant attention in addressing such drawback. Herein, resorting to wettability contrast patterned surfaces, different nanometer-thick particles of various sizes and geometries (e.g. squares, circles, triangles, hexagons) with high precision and definition were developed. These ultrathin quasi-2D polymeric microparticles in contact with cells allow the generation of gravity-enforced human adipose-derived stems cells spheroids without impairing their natural morphology. Cell culture for 3 days maintain cells viable, metabolically active and an increase in the release of angiogenic factors, namely VEGF.

Durante várias décadas, as micropartículas têm sido usadas como veículos esféricos para a entrega controlada de fármacos ou mesmo como carriers para a expansão celular em larga escala. Mais recentemente, estas estruturas têm recebido uma grande atenção em diversas áreas da bioengenharia, podendo integrar uma vasta variedade de estratégias que incluem, não só, a engenharia de tecidos, como também bioprinting 3D ou mesmo o desenvolvimento de modelos de tecidos/doença. O conceito de micropartículas esféricas como suportes adequados à cultura e expansão celular têm sido contestados se serão a abordagem mais adequada. Para tal, sistemas que sejam capazes de alterar não só a geometria, mas também modelar as propriedades (bio)químicas e físicas, são fatores determinantes em diversas tecnologias. Neste sentido, a descoberta de materiais 2D levou a um rápido aparecimento de uma diversidade de estruturas que exibem propriedades únicas, como o (i) elevado rácio superfície de área-volume, (ii) espessuras à escala sub-micrométrica, (iii) a possibilidade de serem heterofuncionalizadas e ainda (iv) propriedades adesivas não covalentes, que se distinguem grandemente dos seus equivalentes 3D. Embora o desenvolvimento destas estruturas com dimensões laterais e geometrias flexíveis permaneça um desafio, plataformas baseadas em padrões têm permitido ultrapassar esta desvantagem. Por esta razão, neste trabalho, superfícies com elevado contraste de molhabilidade foram utilizadas para o fabrico de partículas com diferentes tamanhos e formas (quadrados, círculos, triângulos e hexágonos), apresentando uma espessura à escala nanométrica. Ademais, estas partículas ultra-finas quando em contacto com células estaminais derivadas do tecido adiposo permitem a formação de esferóides sem impedir a sua normal agregação e morfologia. As células mantiveram-se viáveis e metabolicamente ativas durante os 3 dias de cultura, e verificou-se ainda, um aumento na libertação de fatores angiogénicos (VEGF).