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Publicação
Assessing the Effects of Scaffold Porosity and Geometry on Mechanical Properties and Cell Alignment
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 3.9 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Ischemic heart disease and consequent myocardial infarction are a global health emergency. These
conditions are responsible for permanent cell death and the formation of scar tissue. The lack of re-
generative capacity of cardiac muscle cells associated with current therapeutic limitations, leads car-
diac tissue engineering to develop new strategies in this area to mimic the microenvironment of myo-
cardium . Cardiac cells are highly specialized, providing the heart muscle a mechanical and electrical
behavior that is complex to replicate. The anisotropic nature and cell microenvironment become the
greatest challenges in the production of materials capable of supporting cell growth and organization.
In this master thesis it was proposed the manufacture of three dimensional hexagonal polycaprolac-
tone scaffolds using melt electrowriting, an additive manufacturing technique, design to mimic the
mechanical parameters of the myocardium and its anisotropic composition. The scaffolds were man-
ufactured with two pore sizes, where the hexagonal structures had different side length of 400 μm and
600 μm with different internal angles (30 °, 45 ° and 60 °). The scaffolds were incubated in Gelatin
Methacryloyl hydrogel with human mesenchymal stem cells to study the alignment and orientation of
the cells in the different geometries.
The melt electrowriting-fabricated scaffolds were subjected to uniaxial tensile tests where they
showed an anisotropic mechanical behavior, a high strength and low stiffness; parameters that can be
made more similar to native tissue by adding fibers to the structure. The cell patches were subjected
to PrestoBlue assays to assess the viability over time, the cell metabolic activity showed to grow over
time in all groups according to the positive control. Finally, cytoskeletal F-actin was labeled with phal-
loidin and observed by confocal microscopy, revealing a greater cell alignment in the scaffolds with
lower internal angle of 30 °.
In addition to the proposed work, it was idealized to place conductive nanoparticles such as MXenes
to the structures in order to increase cell synchronization and consequently maturation between them.
For this, preliminary tests were initiated in order to understand which strategy ensures a uniform dis-
tribution of MXenes along the fibers.
A doença isquémica cardíaca e o consequente enfarte do miocárdio são uma emergência de saúde global. Estas condições são responsáveis pela morte celular permanente e pela formação de tecido cicatricial. A falta de capacidade regenerativa das células do músculo cardíaco, associada às limitações terapêuticas atuais, leva a engenharia do tecido cardíaco a desenvolver novas estratégias nesta área para simular o microambiente do miocárdio. As células cardíacas são altamente especializadas, proporcionando ao músculo cardíaco um comportamento mecânico e elétrico complexo de replicar. A natureza anisotrópica e o microambiente tornam-se os maiores desafios na produção de materiais capazes de suportar o crescimento e organização celular. Nesta dissertação de mestrado propôs-se o fabrico de scaffolds de policaprolactona hexagonal 3D utilizando uma técnica de fabrico aditivo, o melt electrowriting, desenho para mimetizar os parâmetros mecânicos do miocárdio e a sua composição anisotrópica. Os scaffolds foram fabricados com dois tamanhos de poros, caracterizados por hexágonos com diferentes tamanho de lado, 400 μm and 600 μm, nos quais continham ângulos internos diferentes (30 °, 45 ° e 60 °) e, em seguida, foram incubados em hidrogel de Gelatin Methacryloyl com células estaminais do mesênquimahumanas para estudar o alinhamento e orientação das células nas diferentes geometrias. Os scaffolds fabricados por melt electrowriting foram submetidos a ensaios de tração uniaxiais onde apresentaram comportamento mecânico anisotrópico, alta resistência e baixa rigidez; parâmetros que podem ser tornados mais semelhantes ao tecido nativo, adicionando fibras à estrutura. Os cellular patches foram submetidos a ensaios PrestoBlue para avaliar a viabilidade ao longo do tempo, a atividade metabólica celular mostrou crescer ao longo do tempo em todos os grupos de acordo com o controle positivo. Finalmente, a F-actina do citoesqueleto foi marcada com phalloidin e observada por microscopia confocal, revelando um maior alinhamento celular nos scaffolds com um ângulo interno de 30°. Além do trabalho proposto, idealizou-se colocar nanopartículas condutoras, como MXenes, nas estruturas, a fim de aumentar a sincronização celular e, consequentemente, a maturação entre elas. Para isso, foram iniciados testes preliminares para entender qual estratégia garante uma distribuição uniforme dos MXenes ao longo das fibras.
A doença isquémica cardíaca e o consequente enfarte do miocárdio são uma emergência de saúde global. Estas condições são responsáveis pela morte celular permanente e pela formação de tecido cicatricial. A falta de capacidade regenerativa das células do músculo cardíaco, associada às limitações terapêuticas atuais, leva a engenharia do tecido cardíaco a desenvolver novas estratégias nesta área para simular o microambiente do miocárdio. As células cardíacas são altamente especializadas, proporcionando ao músculo cardíaco um comportamento mecânico e elétrico complexo de replicar. A natureza anisotrópica e o microambiente tornam-se os maiores desafios na produção de materiais capazes de suportar o crescimento e organização celular. Nesta dissertação de mestrado propôs-se o fabrico de scaffolds de policaprolactona hexagonal 3D utilizando uma técnica de fabrico aditivo, o melt electrowriting, desenho para mimetizar os parâmetros mecânicos do miocárdio e a sua composição anisotrópica. Os scaffolds foram fabricados com dois tamanhos de poros, caracterizados por hexágonos com diferentes tamanho de lado, 400 μm and 600 μm, nos quais continham ângulos internos diferentes (30 °, 45 ° e 60 °) e, em seguida, foram incubados em hidrogel de Gelatin Methacryloyl com células estaminais do mesênquimahumanas para estudar o alinhamento e orientação das células nas diferentes geometrias. Os scaffolds fabricados por melt electrowriting foram submetidos a ensaios de tração uniaxiais onde apresentaram comportamento mecânico anisotrópico, alta resistência e baixa rigidez; parâmetros que podem ser tornados mais semelhantes ao tecido nativo, adicionando fibras à estrutura. Os cellular patches foram submetidos a ensaios PrestoBlue para avaliar a viabilidade ao longo do tempo, a atividade metabólica celular mostrou crescer ao longo do tempo em todos os grupos de acordo com o controle positivo. Finalmente, a F-actina do citoesqueleto foi marcada com phalloidin e observada por microscopia confocal, revelando um maior alinhamento celular nos scaffolds com um ângulo interno de 30°. Além do trabalho proposto, idealizou-se colocar nanopartículas condutoras, como MXenes, nas estruturas, a fim de aumentar a sincronização celular e, consequentemente, a maturação entre elas. Para isso, foram iniciados testes preliminares para entender qual estratégia garante uma distribuição uniforme dos MXenes ao longo das fibras.
Descrição
Palavras-chave
Anisotropy Cardiomyocyte Melt electrowriting Myocardium Scaffolds