A 3D graphene composite scaffold with a combinatorial fibrous-porous architecture for neural repair in the injured spinal cord

Abstract

Spinal cord injury continues to be, unarguably, a largely convoluted challenge of modern medicine, leaving millions of patients worldwide with devastating lifetime consequences. Currently, there are not medical treatments capable of efficiently and completely restoring lost autonomous, motor and/or sensory functions. In this context, along with the development of a next generation of biomedical platforms, the inclusion of graphene-based materials into neuroprotective and neuroregenerative strategies has potential to boost the structural and physiological recovery of the injured spinal cord. Particularly, these nanomaterials are updating important principles of tissue engineering concerning the development of biocompatible scaffolds suitable for replacing damaged neural microenvironments in a near-future scenario. In this work, a new design concept is used to fabricate graphene composites with fibrous-porous architectures able to support enhanced interactions with neural cells. In detail, electrospun nanofibres were accommodated onto the surface of reduced graphene oxide sheets to generate combinatorial 3D systems. The physiochemical and biological features of fibrous-porous constructs were associated with the properties of their nanofibrous coatings, resulting, consequently, in unique microenvironments capable of supporting highly viable, mature and interconnected neural circuits in vitro. Due to their enhanced performance, these graphene composites were further adapted to recreate the gray matter of the spinal cord, becoming a key component of a new biomimetic scaffolding methodology. In this way, for ensuring a spatial organization resembling the native spinal cord, where the center of gray matter is surrounded by white matter, the selected fibrous-porous graphene composite was incorporated within a 3D nanofibrous framework. Furthermore, specific regions of this biomimetic framework were loaded with polycaprolactone-chitosan nanofibres and polycaprolactone-graphene microfibers with the purpose of mimicking the white matter. After in vitro and ex vivo tests, the final biomimetic scaffold was then implanted into hemisected rats for 4 months, after which it was possible to observe promising neuroprotective and neuroregenerative features together with encouraging signs of forelimb function recovery. Based on these findings, the reported biomimetic graphene-based scaffolds hold potential to integrate advanced therapeutic strategies for countering spinal cord injury.

A lesão da medula espinal continua a ser indiscutivelmente um grande desafio da medicina moderna, provocando efeitos devastadores e permanentes a milhões de pacientes por todo o mundo. Não existem atualmente tratamentos médicos capazes de restaurar, de uma forma eficaz e completa, as funções sensoriais, motoras e/ou autónomas danificadas/perdidas depois desta lesão. Neste contexto, e seguindo o desenvolvimento da próxima geração de plataformas biomédicas, a inclusão de grafeno e materiais derivados em estratégias de neuroproteção e neurorregeneração tem mostrado potencial para estimular a recuperação estrutural e fisiológica do tecido medular lesionado. Particularmente, estes nanomateriais têm impulsionado princípios importantes da engenharia de tecidos aplicados no desenvolvimento de suportes celulares biocompatíveis denominados scaffolds, com o intuito de garantir, num futuro próximo, a substituição de microambientes neurais danificados. Neste trabalho é apresentada e validada uma nova metodologia para fabricar compósitos de grafeno com uma arquitetura fibrosa-porosa apta a promover interações otimizadas com células neurais. Em detalhe, nanofibras poliméricas fabricadas através de eletrofiação foram distribuídas pela superfície de folhas de óxido de grafeno reduzido com o intuito de gerar sistemas combinatórios 3D. Foi demonstrado que as propriedades biológicas e físico-químicas das construções fibrosas-porosas dependiam das características do revestimento nanofibroso utilizado, o que resultou, consequentemente, em scaffolds únicos capazes de acomodar circuitos neurais maduros altamente viáveis e interconectados in vitro. A performance auspiciosa destes compósitos de grafeno levou à sua adaptação com o objetivo de recriar a matéria cinzenta da medula espinal numa nova estratégia biomimética de engenharia de tecido neural. Para assegurar a organização espacial característica da medula, onde o centro de matéria cinzenta está rodeado por matéria branca, o compósito fibroso-poroso de grafeno selecionado foi incorporado no interior de um sistema nanofibroso 3D. Nesta construção biomimética, com vista à simulação da matéria branca, foi também integrado um sistema formado por nanofibras de policaprolactona e quitosano e microfibras de policaprolactona e grafeno. Depois de testado in vitro e ex vivo, o scaffold final foi implantado em ratazanas paralisadas com uma hemissecção cervical e, após 4 meses, foi possível observar impactos positivos na neuroproteção e neurorregeneração do tecido medular. Desta forma, e também considerando os resultados promissores associados à recuperação comportamental dos animais intervencionados, é possível constatar o potencial destes scaffolds de grafeno em integrar estratégias terapêuticas avançadas suscetíveis de contrariar os efeitos adversos da lesão da medula espinal.