Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/39364
Title: Anisotropic fibrous structures for engineered cartilage: a joined approach of zonal fibrous alignment and mechanical stimulus
Other Titles: Estruturas fibrosas anisotrópicas para engenharia de cartilagem: uma combinação de alinhamento fibroso zonal e estímulo mecânico
Author: Semitela, Ângela Manuela Lopes
Advisor: Completo, António
Marques, Paula
Keywords: Articular cartilage
Anisotropic
Chondrocyte
Electrospinning
Electrospraying
Fibre alignment
Flow perfusion
Gelatin
Mechanical stimulus
Multilayered
Polycaprolactone
Tissue engineering
Unconfined cyclic compression
Zonal
Defense Date: 26-Jan-2023
Abstract: Articular cartilage (AC) is a highly specialized tissue with a restricted capacity for self-regeneration. This prompted tissue engineering (TE) to develop strategies for the replacement of damaged AC with zonal constructs with biomimetic biochemical, biomechanical and topographic cues, particularly the collagen fibril alignment. This thesis explores a promising approach that seeks to improve the quality of engineered cartilage through a combined approach of anisotropic fibrous scaffolds with depth-dependent fibre alignments and mechanical stimuli provided by a bioreactor culture environment. 3D fibrous scaffolds with depth-dependent fibre alignments were fabricated by assembling electrospun polycaprolactone-gelatin (PCL+GEL) meshes with enlarged pore sizes and specified fibre alignments. The resulting structures allowed significant cellular attachment, proliferation, migration, as well as ECM deposition, which was exacerbated by applying mechanical loading either by unconfined compression or flow-perfusion. The anisotropic structures resulting from the combination of randomly and vertically aligned fibres exhibited the highest potential for AC TE. To also modulate the chondrocyte depth-dependent distribution, bio-electrospraying (BES) was coupled with PCL+GEL electrospinning to integrate cells directly into the scaffolds as they are being fabricated. The results indicated that BES was safe under certain operational parameters, with almost no detrimental effects observed on C28/I2 chondrocytes. Even though isolated human chondrocytes exhibited a few adverse effects, they were overcome by the application of flow-perfusion. Yet, when coupled with PCL+GEL electrospinning, a substantially reduction on electrosprayed C28/I2 chondrocyte survival was observed. Nonetheless, the incorporation of polymeric supplements on the BES chondrocyte suspension, more specifically alginate, significantly enhanced chondrocyte viability. Following on this premise, multilayered 3D fibrous scaffold architectures were fabricated in an automated manner combining PCL+GEL fibrous layers with C28/I2 chondrocyte-laden hydrogel layers using a newly developed 3D electrospinning platform that allowed a high degree of control of fibre alignment, porosity, and chondrocyte depth-dependent distribution. These anisotropic structures, more specifically, the one exhibiting the highest compression modulus and relative energy dissipation, in combination with a dynamic compressive mechanical stimulus, revealed the highest potential for AC TE.
A cartilagem articular (CA) é um tecido especializado com capacidade de autorregeneração muito reduzida. Para colmatar esta limitação várias estratégias de engenharia de tecidos (ET) têm sido desenvolvidas com o intuito de substituir o tecido cartilagíneo lesionado com construções biomiméticas capazes de recriar características bioquímicas, biomecânicas e topográficas da CA, em particular o alinhamento das fibrilas de colagénio. Esta tese explora uma abordagem promissora que procura melhorar a qualidade do tecido cartilaginoso desenvolvido in vitro através da combinação de estruturas fibrosas anisotrópicas com variação da orientação fibrilar em profundidade com protocolos de estímulos mecânicos num biorreator. Em detalhe, scaffolds tridimensionais (3D) fibrosos com variação da orientação fibrilar em profundidade foram fabricados através da combinação de malhas electrofiadas de policaprolactona e gelatina (PCL+GEL) com poros expandidos e alinhamento de fibras específicos. Estas estruturas promoveram adesão, proliferação e migração celular, assim como uma deposição de matriz extracelular substancial. Estes resultados foram posteriormente otimizados tanto com a aplicação de estímulos mecânicos por compressão inconfinada como por perfusão. As estruturas anisotrópicas resultantes da combinação de malhas com fibras alinhadas aleatória e verticalmente demonstraram elevado potencial para a ET da CA. De forma a modular também a distribuição celular em profundidade, um processo de electropulverização de suspensões celulares foi eficazmente combinado com electrofiação, permitindo assim uma incorporação direta de condrócitos entre as fibras PCL+GEL à medida que o scaffold é fabricado. Este processo não provocou reações adversas nas células C28/I2 sujeitas aos parâmetros operacionais otimizados. Contudo, a electropulverização de condrócitos humanos isolados resultou em reações adversas que foram posteriormente colmatadas com recurso a estimulação por perfusão. A combinação de electropulverização e electrofiação originou uma redução substancial da viabilidade dos condrócitos electropulverizados. Contudo, foi confirmado que a incorporação de suplementos poliméricos, como alginato, nas suspensões celulares, poderia ser adotada para aumentar a viabilidade celular. Seguindo esta premissa, numa nova plataforma de electrofiação 3D permitiu a fabricação automatizada de scaffolds fibrosos com diferentes designs e múltiplas camadas de fibras PCL+GEL/hidrogel de alginato carregado com células C28/I2, assegurando um elevado controlo sobre o alinhamento das fibras, a porosidade e a distribuição de células em profundidade. Estas novas estruturas anisotrópicas, em combinação com um estímulo mecânico compressivo, revelaram elevado potencial para a ET da CA, nomeadamente o scaffold com o modulo de compressão e dissipação de energia relativa mais elevados.
URI: http://hdl.handle.net/10773/39364
Appears in Collections:UA - Teses de doutoramento
DEM - Teses de doutoramento

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