Nature-derived Conductive Substrates for Therapeutic Applications

Abstract

This thesis investigates the potential of polysaccharide-based conductive substrates, integrated with laser-induced graphene (LIG), as a novel platform for cardiomyocyte culture with the future pro- spect of utilizing it for cardiomyocyte (CM) maturation through electrical stimulation techniques. The methodology involves the fabrication of LIG within different polysaccharide-based matrices, including chitosan, agarose, and alginate, through a single step laser process using a low-cost infrared (CO2) laser. Comprehensive characterization of these composite substrates is conducted, encompassing electrical conductivity, mechanical and chemical properties, and biocompatibility tests. Subsequently, human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) culture experiments are car- ried out to assess the substrate's effectiveness in supporting cardiomyocyte metabolism, morphology, and functionality. Findings reveal that the LIG produced in polysaccharide films showed sharp characteristic Raman peaks and reasonable sheet resistance values. Besides, the LIG-polysaccharide substrates offered an appropriate conductive environment (≈ 2 𝑆. 𝑚) for cardiomyocyte culture, promoting cell attachment, viability, and metabolic activity. This research signifies a significant step towards a sustainable and biocompatible substrate for cardiac tissue engineering. Additionally, the study explores the potential for employing electrical stimulation techniques to enhance cardiomyocyte maturation on these substrates. The implications of this research are profound, as it conciliates sustainable biomaterials and car- diac tissue engineering, offering a promising avenue for developing functional cardiac tissue constructs and advanced strategies for cardiac regenerative therapies. In conclusion, this work contributes to the evolving landscape of cardiac tissue engineering and underscores the potential of LIG-polysaccharide substrates as a versatile platform for both cardiomyocyte culture and future maturation techniques through electrical stimulation.

Este trabalho tem como principal objetivo avaliar o potencial de substratos condutores à base de polissacarídeos, integrado com grafeno induzido por laser (LIG), como uma plataforma inovadora para a cultura de cardiomiócitos, com a perspetiva futura de utilizá-los para a maturação de cardiomiócitos por meio de técnicas de estimulação elétrica. A metodologia usada envolve a fabricação de LIG em diferentes filmes de polissacarídeos, no- meadamente de quitosano, agarose e alginato, através da incidência de um laser infravermelho (CO2) de baixo custo. É feita uma caracterização detalhada dos substratos, analisando a condutividade elétrica, propriedades mecânicas e químicas, e testes de biocompatibilidade. Posteriormente, é realizada cultura de cardiomiócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas humanas (hiPSC-CMs) para ava- liar a eficácia do substrato em promover o crescimento, morfologia e funcionalidade dos cardiomiócitos. Os resultados revelam que os substratos de LIG-polissacarídeo oferecem condutividade adequada para a cultura de cardiomiócitos ≈ 2 𝑆. 𝑚, promovendo a sua adesão, viabilidade e metabolismo. Esta pesquisa representa um passo significativo para a engenharia de tecido cardíaco, uma vez que comprova a fabricação de substratos sustentáveis e biocompatíveis. Além disso, o estudo explora o potencial dos substratos em técnicas de estimulação elétrica para aprimorar a maturação de cardiomiócitos. Os desenvolvimentos desta pesquisa são úteis, pois explora o uso de biomateriais sustentáveis em engenharia de tecido cardíaco, oferecendo uma direção promissora para o desenvolvimento de tecido cardíaco funcional e estratégias avançadas para terapias regenerativas cardíacas. Em conclusão, este trabalho contribui para a evolução da engenharia de tecido cardíaco e destaca o potencial dos substratos de LIG-polissacarídeo como uma plataforma versátil tanto para a cultura de cardiomiócitos como para futuras técnicas de maturação por estimulação elétrica.