Bioactive hybrid cryogels for regenerative medicine

Abstract

Biomaterials have emerged as promising alternatives to the currently available biological bone grafts. The design criteria of ideal scaffolds with adequate mechanical strength and bioactive properties to facilitate the formation of new tissue is a challenging and ongoing process. Bone tissue regeneration (BTR) is regulated by different procedures, including inflammation, osteoinduction, and remodeling. Therefore, BTR requires biomaterials that not only provide structural support but also actively participate in regulating the complex biological processes. This thesis focuses on the development of injectable and patient-specific biomaterials as potential alternatives to traditional bone grafts. Specifically, the investigation on the use of biopolymers and ceramics for the fabrication of drug delivery vehicles, as well as the development of cryogels and cryogel composites aimed at enhancing bone regeneration. Herein, four distinct biomaterials were developed: (i) Biodegradable microparticles for drug delivery; (ii) 3D printed polysaccharide cryogel with silica nanoparticles; (iii) 3D printed injectable protein-based cryogels; and (iv) 3D printed protein-based cryogel with bioactive glass. The microparticles were fabricated using a low molecular weight natural-derived polysaccharide. These microparticles demonstrated accelerated degradability under physiological conditions compared to similar systems. The degradability has led to a sustained and controlled release of the encapsulated molecules of interest. Notably, cytotoxicity evaluations revealed no adverse effects up to a concentration of 100 μg/mL. 3D printing techniques were explored to obtain 3D-printed cryogels constructs. Novel methodologies were developed to induce anisotropy in cryogels structures. These scaffolds exhibited the ability to promote the growth of hydroxyapatite-like crystals, when combining with silica nanoparticles, forming a pre-mineralized matrix conducive to bone regeneration. Furthermore, the cryogels demonstrated injectability capability, suggesting their potential applicability in minimally invasive surgical procedures. The mechanical properties and injectability of cryogels were significantly enhanced through the utilization of 3D printing techniques. Through the evaluation of the pore interconnectivity between the hydrated and dried scaffolds, a platform for cell adsorption was developed. This platform enabled the encapsulation of both individual cells and multicellular structures, such as spheroids. Notably, these injectable systems exhibited cell retention capabilities, even when subjected to multiple degrees of deformation during injection. By integrating modified bioactive glass nanoparticles, the mechanical properties and metabolic activity of hASCs were enhanced. The development of the 3D printed cryogel composite resulted in the upregulation of key osteogenic markers, thereby promoting osteoblast differentiation and matrix mineralization. The development of these biomaterials yielded promising preliminary results for BTR. The culmination of this work demonstrates the potential of these biomaterials to serve as minimally invasive approaches to BTR. In summary, they have shown to be injectable, capable of adsorbing cells, patient-specific, osteoinductive, and cost-effective.

Biomateriais têm sido desenvolvidos de modo a melhorar os enxertos ósseos atualmente disponíveis. Contudo, o desenvolvimento de estruturas com resistência mecânica adequada e propriedades bioativas para facilitar a formação de novo tecido ósseo é um procedimento continuo e desafiante. Esta regeneração é regulada por diferentes processos, incluindo inflamação, osteoindução e remodelação. Deste modo, a regeneração do tecido ósseo requer biomateriais que não só forneçam suporte estrutural, mas também participem ativamente na regulação destes processos biológicos. Esta tese concentra-se no desenvolvimento de biomateriais injetáveis e específicos ao paciente como alternativas aos enxertos ósseos tradicionais. Mais especificamente, a investigação do uso de biopolímeros e cerâmicos para a fabricação de veículos de entrega de fármacos, bem como o desenvolvimento de criogéis, e compósitos de criogéis, para regeneração óssea. Quatro biomateriais distintos foram desenvolvidos: (i) Micropartículas biodegradáveis para entrega de fármacos; (ii) Criogéis de polissacarídeo com nanopartículas de sílica impresso em 3D; (iii) Criogéis injetáveis à base de proteína impressos em 3D; e (iv) Criogéis à base de proteína e com vidro bioativo impresso em 3D. As micropartículas foram fabricadas usando um polissacarídeo natural de baixo peso molecular. Em comparação com sistemas similares, estas micropartículas demonstraram uma degradabilidade acelerada em condições fisiológicas. A degradabilidade levou a uma liberação sustentada e controlada das moléculas de interesse encapsuladas. Avaliações de citotoxicidade não revelaram efeitos adversos até uma concentração de 100 μg/mL. Metodologias inovadoras foram desenvolvidas para induzir anisotropia em criogéis impressos em 3D. Estas estruturas demonstraram a capacidade de promover o crescimento de cristais semelhantes a hidroxiapatita, formando uma matriz pré-mineralizada propícia à regeneração óssea. Além disso, os criogéis demonstraram injetabilidade, sugerindo o seu potencial para procedimentos minimamente invasivos. Técnicas de impressão 3D foram exploradas para obter construções de criogéis impressos em 3D. As propriedades mecânicas e a injetabilidade dos criogéis foram melhoradas através da utilização de impressão 3D. Uma nova metodologia foi desenvolvida para induzir anisotropia ao criogel impresso. Após a avaliação da interconectividade de poros, entre as estruturas hidratadas e secas, uma plataforma para adsorção de células foi desenvolvida. Isto permitiu a encapsulação de células individuais e estruturas multicelulares, como esferoides. Estes sistemas injetáveis exibiram capacidades de retenção celular, mesmo quando sujeitos a múltiplos graus de deformação durante a injeção. Ao integrar nanopartículas de vidro bioativo, as propriedades mecânicas e a atividade metabólica das hASCs foram melhoradas. O compósito de cryogel impresso em 3D desenvolvido levou a uma regulação positiva de marcadores osteogênicos essenciais, promovendo assim a diferenciação de osteoblastos e mineralização da matriz. Os desenvolvimentos destes biomateriais mostraram resultados preliminares promissores para regeneração óssea. A culminação deste trabalho demonstra o potencial destes biomateriais para servir como abordagens minimamente invasivas para a regeneração óssea. Em resumo, os materiais mostraram-se ser injetáveis, capazes de adsorver células, específicos ao paciente, osteoindutivos e economicamente viáveis.