Mechanical stimulus responsive 3D-Bio based graphene scaffolds for bone tissue engineering

Abstract

Bone tissue engineering has gained a high relevance in the past few years due to the potential to generate functional tissue. In bone tissue regeneration, there are several options that can be adopted, being the autologous bone replacement the preferential clinical procedure. However, the use of autologous materials has a drawback that consists of the limited quantity available in the body. As alternatives, significant efforts have been dedicated to developing synthetic materials for the incorporation in the patients to restore the form and function of the injured bone. This work focus on the development of biomaterials for bone regeneration, which must possess relevant specific biological characteristics to be incorporated into the human body. They must mimic the function and structure of the bone extracellular matrix (ECM), in order to provide a three-dimensional (3D) environment capable of improving cellular adhesion, proliferation and differentiation, as well as presenting adequate biophysical and biochemical characteristics to induce and potentiate the bone tissue regeneration. Currently, biomaterials obtained from natural sources are promising options for application in tissue engineering due to their good biological performance. In this work, it was reported for the first time the self-assembly of graphene oxide (GO) nanosheets on the natural spongin skeleton by the layer-by layer (LbL) method. These improved mechanical and biological properties of the MS make it a very relevant candidate to explore as a template for the development of new biomimetic scaffolds with appropriate structural and biochemical cues for bone cells. Firstly, this work was dedicated to the MS purification regarding the removal of some anatomic constituents or contaminants. The chemical composition, structure and mechanical properties of MS were accessed, by FTIR, SEM and mechanical compression tests. The preparation of the bionanocomposites was performed by exploring the self-assembly of GO on the surface of MS using different positive polyelectrolytes (PDDA and PEI). The obtained results showed that the multilayer deposition PEI/GO gives rise to highly efficient surface functionalization of MS. These hybrids materials showed a high mechanical and thermal stability, which allows the preparation of two sets of samples, with reduced(rGO) and non-reduced GO, for the development of biological studies. The in vitro studies performed with osteoblasts under dynamic conditions revealed that the bionanocomposites prepared with GO showed an improved performance in terms of cell viability and mineralization. These results can be mainly attributed to the fact that GO presents more oxygen functional groups in its composition than the samples with rGO. These bionanocomposites were able to promote cell adhesion and proliferation, and more importantly guaranty their structural integrity of during the dynamic test.

A engenharia de tecido ósseo ganhou grande relevância nos últimos anos devido ao potencial de gerar tecido funcional. Na regeneração do tecido ósseo, são várias as opções que podem ser adotadas, sendo a substituição óssea autóloga o procedimento clínico preferencial. No entanto, a limitada quantidade disponível de materiais autólogos no corpo, leva a que esta opção seja pouco utilizada. Como alternativas, tem havido esforços significativos no desenvolvimento de materiais sintéticos para incorporação nos pacientes, de modo a restaurar a forma e função do osso lesado. O foco deste trabalho foi o desenvolvimento de biomateriais para regeneração óssea, os quais devem possuir características biológicas específicas relevantes para que sejam incorporados no corpo humano. Estes devem mimetizar a estrutura e função da matriz extracelular (ECM) do osso, a fim de fornecer um ambiente tridimensional (3D) capaz de melhorar a adesão, proliferação e diferenciação celular, assim como possuir características biofísicas e bioquímicas adequadas para induzir e potencializar a regeneração do tecido ósseo. Atualmente, os biomateriais obtidos de fontes naturais são opções promissoras para aplicação em engenharia de tecidos devido ao seu bom desempenho biológico. Neste trabalho foi realizado pela primeira vez o self-assembly de óxido de grafeno (GO) numa matriz de espongina natural (MS) pelo método camada a camada (do inglês layer-by-layer (LbL)). As propriedades mecânicas e biológicas resultantes da modificação da MS tornam-na uma candidata muito relevante para explorar como um modelo no desenvolvimento de novos suportes biomiméticos com características estruturais e bioquímicas adequadas para células ósseas. Inicialmente, este trabalho foi dedicado à purificação da MS no que diz respeito à remoção de alguns constituintes anatómicos ou contaminantes. A composição química, estrutura e propriedades mecânicas da MS foram avaliadas por meio de testes de FTIR, SEM e compressão mecânica. A preparação dos bionanocompósitos foi realizada analisando o self-assembly do GO na superfície da MS utilizando diferentes polieletrólitos positivos (PDDA e PEI). Os resultados obtidos mostraram que a deposição de multicamadas GO / PEI dá origem a uma funcionalização superficial altamente eficiente da MS. Estes materiais híbridos apresentaram elevada estabilidade mecânica e térmica, o que permite a preparação de dois conjuntos de amostras com GO reduzido (rGO) e não reduzido, para o desenvolvimento de estudos biológicos. Os estudos in vitro realizados com osteoblastos em condições dinâmicas revelaram que os bionanocompósitos preparados com GO apresentaram melhor desempenho em termos de viabilidade e mineralização celular. Esses resultados podem ser atribuídos principalmente ao fato de o GO apresentar mais grupos funcionais contendo oxigénio na sua composição do que o rGO. Estes bionanocompósitos foram capazes de promover a adesão e proliferação celular e, mais importante, garantir a sua integridade estrutural durante o teste dinâmico.