Estimulação mecânica de um scaffold anisotrópico fibroso para a engenharia de tecidos da cartilagem

Abstract

Cada vez mais surge a necessidade de substituir tecidos humanos por outros materiais capazes de os mimetizar. Neste contexto, a engenharia de tecidos, que combina a utilização de células e biomateriais, permite desenvolver soluções terapêuticas capazes de substituir parte ou a totalidade de um órgão. Para tal, foram desenvolvidos nos últimos anos biomateriais de origem diversa. Entre estes, os polímeros e as respetivas técnicas de processamento, com vista a obter as melhores caraterísticas para mimetizar o tecido alvo, têm sido objeto de investigação. No caso particular da cartilagem, há a necessidade de reproduzir a arquitetura anisotrópica nativa que dá a este tecido a possibilidade de sofrer forças de compressão, tração e de cisalhamento sem danificar a sua estrutura e de suportar cargas superiores ao peso corporal do ser humano. Esta estrutura fibrosa complexa apresenta fibras com orientações distintas, existindo assim microambientes diferentes. A sua recriação in vitro deverá proporcionar a migração e proliferação celular, sendo por isso um grande desafio. No seguimento dos estudos desenvolvidos anteriormente no grupo da equipa de orientação deste projeto, neste trabalho foi desenvolvida uma estrutura em bicamada com diferentes orientações das fibras compostas pela junção de um polímero sintético – policaprolactona – com um natural – gelatina – conseguida por eletrofiação. De forma a obter um maior tamanho de poro, vantajoso para a migração celular, procedeu-se simultaneamente à eletropulverização de micropartículas sacrificiais de polietilenoglicol, que foram posteriormente removidas. Os estudos de viabilidade celular comprovaram a biocompatibilidade da estrutura e a capacidade desta de garantir uma adesão, distribuição e infiltração das células através do scaffold. Este estudo comparou testes de viabilidade celular estáticos e dinâmicos. Verificou-se que sobre compressão cíclica estes biomateriais tridimensionais (3D) apresentam melhores resultados de viabilidade e de penetração celular para o interior da estrutura, talvez devido ao fluxo do meio provocado pela força de compressão.

There’s an increasing need to replace human tissues with other materials capable of mimicking them. In this context, tissue engineering, which combines the use of cells and biomaterials, allows the development of therapeutic solutions capable of replacing part or all of an organ. To this end, biomaterials of different origins have been developed in recent years. Among these, polymers and the respective processing techniques, in order to obtain the best characteristics to mimic the target tissue, have been target of research. In the particular case of cartilage, there is a need to reproduce the native anisotropic architecture that gives this tissue the possibility of undergo through compression, traction and shear forces without damaging its structure and supporting loads bigger than the human body weight. This complex fibrous structure presents fibers with different orientations, thus having different microenvironments. Its in vitro recreation should provide cell migration and proliferation, which is why it is a big challenge. Following the studies previously developed in the group of the project's guidance team, in this work a bilayer structure was developed with different orientations of the fibers composed by the junction of a synthetic polymer - polycaprolactone - with a natural - gelatin - achieved by electrospinning. In order to obtain a larger pore size, advantageous for cell migration, electrospraying of polyethylene glycol sacrificial microparticles was carried out simultaneously, which were posteriorly removed. Cell viability studies have proven the biocompatibility of the structure and its ability to guarantee cell adhesion, distribution and infiltration through the scaffold. This study compared static and dynamic cell viability tests. It was found that under cyclic compression these tridimensional (3D) biomaterials show better results of viability and cell penetration into the structure, perhaps due to the flow of the medium caused by the compression force.