Three-dimensional electro-responsive carbonreinforced hydrogels for neural tissue engineering

Abstract

The main objective of the present work consists of the optimization of the production of three-dimensional electro-responsive carbon-reinforced hydrogels, to study their cytocompatibility with neural stem cells (NSCs) for neural tissue engineering. For that matter, initially vertically aligned carbon nanotubes (VA-CNTs) with two different patterns were prepared by thermal chemical vapor deposition (T-CVD): (1) VA-CNTs dense forest and (1) VA-CNTs micropillars. Furthermore, the substrates previously described were studied after acetone vapor treatment, resulting in a cellular and “flower-like” pattern morphology, respectively. Structural characterization of the respective samples was made using scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and the measurement of the water contact angle (WCA). The integration with gelatinmethacryloyl (GelMA) -based hydrogels were explored in the different studied samples. The influence of the different VA-CNTs prepared patterns was studied by the evaluation of the cell behavior with resort to NSCs. By immunocytochemical staining, cell viability assays and SEM, it was observed the cells affinity for the diverse carbon structures, in comparison to the silicon (Si) substrate. Besides, it was also verified the suitability of the VA-CNTs platforms for cell viability and proliferation. The collapsed VA-CNTs substrate made evident the tendency for cell differentiation into neurons, possibly due to their superficial roughness at the nanoscale, which favors this biological mechanism. The results obtained demonstrated that VA-CNTs based structures favors the proliferation and differentiation of NSCs, making them promising as future threedimensional electroresponsive structures with excellent performances for neural tissue engineering.

O principal objetivo do presente trabalho constituiu na otimização da produção de estruturas tridimensionais eletro-estimuláveis à base de nanoestruturas de carbono/hidrogel, estudando a sua citocompatibilidade com células estaminais para engenharia de tecido neuronal. Nesse sentido foram primeiramente preparados dois padrões de nanotubos de carbono verticalmente alinhados (VA-CNTs) por deposição química em fase vapor (T-CVD): (1) floresta densa de VA-CNTs e (2) micropilares de VA-CNTs. Além disso, foram também estudados os substratos anteriormente descritos após tratamento por vapor de acetona, resultando na formação de VA-CNTs e micropadrões colapsados, apresentando uma morfologia com um padrão celular e uma semelhante a uma "flor", respetivamente. As respetivas amostras foram caracterizadas por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), de transmissão (TEM) e foi medido o ângulo de contacto com a água (WCA). As diferentes amostras estudadas foram exploradas na integração com hidrogéis à base de gelatina metacrilada (GelMA). A influência dos diferentes padrões de VA-CNTs preparados foi estudada através da avaliação do comportamento celular com o recurso a células estaminais neurais (NSCs). Por ensaios de imunocitoquímica, viabilidade celular e SEM, foi observada a afinidade das células para com as diversas estruturas de carbono, em comparação com o substrato de silício (Si). Para além disso foi também verificada a aptidão das diversas estruturas baseadas em VA-CNTs como plataformas para proliferação e diferenciação de NSCs. Os substratos de VA-CNTs colapsados evidenciaram uma propensão para induzir a diferenciação celular em neurónios, possivelmente devido à sua rugosidade superficial à nanoescala favorecer este mecanismo biológico. Os resultados obtidos demonstraram que as estruturas baseadas em VA-CNTs favorecem a proliferação e diferenciação das células estaminais neurais, podendo futuramente ser aplicados como estruturas tridimensionais eletroestimuláveis com elevado desempenho para engenharia de tecido neural.