Fiber-based structures from natural origin polymers for tissue engineering approches

• Author(s): Tuzlakoglu, K.
• Date: 2008
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/7633
• Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
• Subject(s): 61:620.1; 620.1:61
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese
• Advisor(s): Reis, R. L.
• Contributor(s): Universidade do Minho

Description

Tese de doutoramento em Ciência e Tecnologia de Materiais - Área de Biomateriais.

Tissue engineering is a new concept emerged as an alternative approach to tissue and organ reconstruction. It differs from organ transplantation by regenerating patient’s own tissue and organs avoiding the biocompatibility and low biofunctionality problems as well as severe immune rejection; which are the main problems of organ transplantation. Tissue engineering methods generally require the use of three main components: a porous scaffold that serves as a matrix, cells and growth factors. The architecture of the tissue engineered scaffold is an important factor to take into consideration that can modulate biological response and the clinical success of the scaffold. Fiber-based scaffolds can provide large surface area and highly interconnective porous structure for cell attachment and ingrowth as well as variety of geometric possibilities that can be regulated depending on the application. In the works presented in this thesis, we developed different fiber based structures based on two natural origin polymers, chitosan and starch, for use in tissue engineering. In Chapter III, chitosan fibers and fiber mesh scaffolds were produced by means of wet spinning technique. The tensile strength of produced fibers was around 205 MPa and Ca-P layer formation could be observed on their surfaces after 14 days of immersion in simulated body fluid (SBF). In Chapter IV, these fibers were then used in further studies for the reinforcement of the structure of a composite material which was consisting of microporous coralline origin hydroxyapatite microgranules, chitosan membranes and chitosan fibers. This composite architecture showed 88% (w/w) swelling in one hour and preserved its complex structure upon long-term incubation. Chitosan fiber meshes were obtained by moulding a predetermined amount of wet-spun fibers. After 7 days of culture, it was found that they were able to support osteoblast-like cell attachment and proliferation. A bone-like apatite layer was obtained on these scaffolds by means of using a simple biomimetic coating process. The apatite formation was determined by different techniques, including SEM, FTIR-ATR, EDS, XRD. The influence of biomimetic coating on osteoblast cell behaviour was also examined by culturing SaOs-2 cells onto scaffolds. The cell population and ALP enzyme activity were found to be higher in the biomimetic coated scaffolds than those in uncoated scaffolds. Furthermore, cell presented more spread and flat morphology when they were seeded on biomimetic coated scaffolds. Regarding starch-based fiber structures, wet spinning was used in Chapter VI as an alternative method to melt spinning for production of starch/polycaprolactone fiber mesh scaffolds. This method seemed to be a very reproducible way of obtaining the fiber mesh scaffolds, typically with 77% porosity and mean pore size 250µm. The specific surface of the scaffolds was measured around 29 mm2/mm3, which was very similar to natural bone. The surfaces of the scaffolds were then treated with plasma under Ar atmosphere. Although both treated and untreated scaffolds exhibited ability for osteoblast-like cell attachment and proliferation, DNA content and ALP enzyme activity were higher in plasma treated scaffolds. Finally, and as a new approach to mimic the natural extracellular matrix (ECM), nano- and micro-fiber combined scaffolds from starch/polycaprolactone blend were designed by means of two step methodology. Electrospinning was used to obtain nanofibers on melt-spun micro-fiber meshes. With regard to the cell culture studies with osteoblast-like cells and rat bone marrow stromal cells, these new architectures showed excellent cell support ability and very promising properties to make them a proper tissue engineering scaffold. In summary, results from these works showed that the designed fiberbased structures from natural origin polymers could successfully serve as a scaffold for tissue engineering.

Engenharia de tecidos é um conceito novo que emergiu como uma abordagem alternativa para a reconstrução de tecidos e órgãos. Difere da transplantação de órgãos na medida em que gera os tecidos e órgãos do próprio doente melhorando desta forma a biocompatibilidade e funcionalidade, assim como reduzindo o risco de rejeição pelo sistema imunitário, que são os principais problemas associados à transplantação de órgãos. Geralmente os métodos de engenharia de tecidos requerem o uso de três componentes principais: um suporte poroso que serve de matriz, células e factores de crescimento. A arquitectura do suporte é um aspecto importante a ter em consideração que pode modular a resposta biológica e o sucesso clínico do mesmo a longo prazo. Suportes à base de fibras podem dar origem a uma grande área superficial e a uma estrutura porosa interconectada para a adesão migração celulares, assim como uma variedade de possibilidades geométricas que podem ser adaptadas dependendo da aplicação. No trabalho apresentado nesta tese foram desenvolvidas, para uso em engenharia de tecidos, diferentes estruturas à base de fibras produzidas a partir de dois polímeros de origem natural, sendo estes o quitosano e o amido. Fibras de quitosano e suportes à base de fibras foram produzidos pela técnica de “wet spinning”. A resistência à tracção das fibras produzidas foi em média 204.9 MPa e a formação da camada Ca-P foi observada nas suas superfícies após 14 dias de imersão em “simulated body fluid” (SBF). Estas fibras foram usadas em estudos posteriores para o reforço da estrutura do material compósito, que consiste em microgrânulos de hidroxiapatite de origem coralina microporosa, membranas e fibras de quitosano. Esta arquitectura compósita apresentou 88% (p/p) de inchamento ao fim de uma hora e manteve a sua estrutura complexa em incubações prolongadas. Suportes à base de fibras de quitosano foram obtidos moldando uma quantidade pré-determinada de fibras produzidas por “wetspinning”. Após 7 dias de cultura, verificou-se que eram capazes de suportar a adesão e proliferação de osteoblastos. Uma camada de apatite idêntica ao osso foi obtida nestes suportes através de um processo simples de revestimento biomimético. A formação de apatite foi determinada por diferentes técnicas, tais como: SEM, FTIR-ATR, EDS e XRD. A influência do revestimento biomimético foi também examinada na actividade celular dos osteoblastos, cultivando células SaOs-2 nos suportes. Observou-se que a população celular e a actividade da enzima ALP é maior nos suportes com revestimento biomimético do que nos suportes sem revestimento. Além disso, células semeadas nos suportes com revestimento biomimético apresentam-se mais espalhadas e com uma morfologia plana. Relativamente às estruturas de fibras à base de amido, a técnica de “wet spinning” é utilizada como uma alternativa à técnica de “melt spinning” para produção de suportes à base de fibras de amido/policaprolactona. Este método permite obter de uma forma reprodutível suportes à base de fibras com 77% de porosidade e tamanho médio de poro de 250 µm. A superfície específica dos suportes é de aproximadamente 29 mm2/mm3, que é em muito semelhante ao osso natural. As superfícies dos suportes foram então tratadas com plasma em atmosfera árgon. Embora ambos os suportes tratados e não tratados por plasma tenham exibido capacidade para adesão e proliferação dos osteoblastos, o conteúdo de DNA e a actividade da enzima ALP foram maiores em suportes tratados. Numa nova abordagem para mimetizar a matriz extracelular natural (ECM), foram concebidos, por uma metodologia em duas etapas, suportes combinados de nano- e micro-fibras a partir de uma mistura de amido/policaprolactona. A técnica de “electrospinning” é utilizada para produzir nano-fibras no topo de malhas de micro-fibras sendo estas obtidas por “melt-spun”. No que diz respeito a estudos de culturas celulares com osteoblastos e células da medula óssea de rato, estas novas arquitecturas mostraram uma excelente capacidade de suporte celular como uma estrutura de engenharia de tecidos. Em resumo, os resultados destes trabalhos demonstraram que as estruturas à base de fibras, concebidas a partir de polímeros naturais, podem servir com êxito como suporte para engenharia de tecidos.