On-slide cell adhesion and cytocompatible (ultra)thin microparticles detachment

Abstract

Ultrathin structures showcasing high aspect ratio are a versatile class of materials that have facilitated the development of new nanotechnological concepts. Catalysis, energy harvesting, and biomedicine are some of the fields where these structures have been applied. However, effective efforts to precisely control lateral dimensions and geometries of such reduce dimensions are scarce. Recently, new applications for these materials have been found in the field of biomedicine. Due to their high aspect ratio, thin and ultrathin materials show the potential to outperform their bulk counterparts. The control over dimensions and architectures of the material at a nanoscale has allowed attaining structural properties including electrical transport, flexibility, optical effects, which were not showcased by bulk counterparts. The project developed here adds on to a previous study that described the production of microparticles showcasing (i) highly controlled lateral size (ranging from 100 um to the millimeter scale), (ii) nanometric thickness (in the range of hundreds of nanometers), and (iii) versatile shape, using pre-patterned oleophilic-oleophobic surfaces. The use of such surfaces did not enable the cytocompatible detachment of the particles, which was dependent on the use of solutions with high pH. The hypothesis of this project was that the use of omniphobic-omniphilic patterned surfaces would enable the detachment of microparticles produced from biodegradable polymers valuable for biomedical applications, namely poly-ε-caprolactone (PCL). The ability to detach microparticles in mild conditions was expected to allow the development of an all-in-one system to obtain monodisperse thin microparticles laden with adhered living cells. Free-standing square-shaped PCL microparticles with lateral size of 350 μm and average 401±122, 944±285 and 1318±265 nm thickness at 5, 7 and 9% (w/v) PCL concentration, respectively, were obtained by adapting a previously described dipping method to the preparation of watersoluble sacrificial layers onto wettable regions of omniphobic-omniphilic patterned surfaces. Human mesenchymal stem cells derived from the adipose tissue could be patterned onto on-chip dried thin microparticles, and the constructs thin particles + cells could be retrieved in a cytocompatible manner. The obtained constructs may be used in future approaches as pro-regenerative injectable and low-mass building blocks for tissue regeneration, and may also be used as platform to understand the role of biophysical cues on the biology of adherent cells.

Estruturas ultrafinas com uma elevada relação área/volume, são uma classe versátil de materiais que têm facilitado o desenvolvimento de novos conceitos nanotecnológicos. Catálise, captação de energia e biomedicina são alguns dos campos onde essas estruturas têm sido aplicadas. No entanto, continua a ser um desafio controlar com precisão as dimensões laterais e geometrias de estruturas com dimensões tão reduzidas. Recentemente, novas aplicações para estes materiais foram encontradas na área da biomedicina. Devido à sua alta relação área/volume, materiais finos e ultrafinos mostram o potencial de superar os mesmos quando na sua forma original. O controlo sobre as dimensões e arquiteturas do material à nanoescala permitiu obter propriedades estruturais, incluindo transporte elétrico, flexibilidade e efeitos óticos, que não existem nas suas contrapartes quando em apresentadas em volume. O projeto aqui desenvolvido é a continuação de um estudo anterior que descreveu a produção de micropartículas apresentando (i) tamanho lateral altamente controlado (variando entre 100 μm até à escala milimétrica), (ii) espessura nanométrica (na faixa de centenas de nanómetros), e (iii) formato versátil, usando superfícies oleofílico-oleofóbicas pré-padronizadas. O uso de tais superfícies não possibilitou o destacamento citocompatível das partículas, que era dependente do uso de soluções com pH elevado. A hipótese deste projeto era que a utilização de superfícies padronizadas onifóbicas-onifílicas possibilitaria o destacamento de micropartículas produzidas a partir de polímeros biodegradáveis para aplicações biomédicas, nomeadamente a poli-ε- caprolactona (PCL). Esperava-se que a capacidade de separar micropartículas em condições moderadas permita o desenvolvimento de um só sistema para obter micropartículas finas monodispersas carregadas com células vivas aderidas. Micropartículas de PCL em suspensão na forma de quadrado com tamanho lateral de 350 μm e média de 401 ± 122, 944 ± 285 e 1318 ± 265 nm de espessura a 5, 7 e 9% (m/v) de concentração de PCL, respetivamente, foram obtidas com a adaptação do método de imersão descrito anteriormente para a preparação de camadas sacrificiais solúveis em água em regiões molháveis das superfícies omnifóbicas-omnifílicas padronizadas. As células estaminais mesenquimais humanas derivadas do tecido adiposo podem ser padronizadas em micropartículas finas secas em chip, e o conjunto partículas finas + células pode ser recuperado de maneira citocompatível. Os conjuntos obtidos podem ser usados em abordagens futuras como blocos de construção próregenerativos injetáveis e de baixa massa para regeneração de tecidos e podem também ser usados como plataforma para compreender o papel de pistas biofísicas na biologia de células aderentes.