Cells behavior on superhydrophobic surfaces with different topographies

Abstract

In the study of cell-material interaction, the nature of material surface has been shown to be essential for biocompatibility. Surface wettability and topography are recognized as critical factors that influence protein adsorption and, consequently, cell behavior. So far only few works have reported cell response on surfaces exhibiting extreme wettability, therefore, the influence of topography combined with this environment is still sparse in literature. The work presented in this thesis aimed to study the influence of superhydrophobic surfaces with different topographies on cell behavior. Bioinspired superhydrophobic rough surfaces of polystyrene (PS-R) and poly (L-acid lactic) (PLLA-R) with different micro- and nanotopographies have been obtained from smooth surfaces of the same polymers (PS-S and PLLA-S) using a simple phase-separation based methodology. Mouse osteoblastic cell line (MC3T3-E1) and a primary cell culture of bovine articular chondrocytes (bch) were used as model systems for cell response evaluation on these surfaces. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that PS-R surfaces exhibited randomly distributed spheres at nanometer-scale that were agglomerated in larger micrometer structures while PLLA-R surfaces showed individual well define papilla-like structures at micrometer level with nanometer rough texture, very similar to the hierarchical architecture of lotus leaf. The water contact angle (WCA) of all surfaces was investigated over 12 weeks and showed to be stable over time. WCA measurements along with x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) comproved that, whilst having the same surface chemistry, the superhydrophobic rough surfaces differ in wettability from the smooth ones as a consequence of the particular surface micro/nanostructures. A preliminary assay for total protein quantification was performed and demonstrated a reduction of bovine serum albumin (BSA) adsorption onto rough surfaces as compared with the correspondent smooth ones, though similar amount of protein adsorbed onto the same type of PS or PLLA surfaces. Biological assays were performed to test the ability of PS and PLLA surfaces to support cell adhesion and proliferation. Live-dead, metabolically activity assays and DNA quantification indicated that in general cells adhere and proliferate faster in the smooth surfaces as compared to the rough substrates. Nevertheless, cells were metabolically active and able to adhere and survive up to 7 days of culture on PS-R surfaces and even slightly proliferate on PLLA-R surfaces with preferential cell adhesion in specific areas as shown by SEM analysis. Both types of cells showed similar behavior when in contact with the surfaces, although MC3T3-E1 cell line showed enhanced performance. Such results indicate the relevant influence of wettability on cell behavior, which was shown to be not very influenced by the topography of the superhydrophobic surfaces or by the nature of both polymers.

No estudo das interacções entre célula e material, a natureza da superfície do material tem-se mostrado essencial para a sua biocompatibilidade. A molhabilidade e a topografia da superfície são reconhecidas como factores críticos que influenciam a adsorção de proteínas e consequentemente o comportamento das células. Até à data apenas alguns trabalhos têm relatado a resposta celular face a superfícies exibindo extrema molhabilidade, assim sendo, a influência da topografia combinada com este ambiente ainda é escassa na literatura. O trabalho apresentado nesta tese teve como objectivo o estudo da influência de superfícies superhidrofóbicas com diferentes topografias no comportamento celular. Superfícies superhidrofóbicas bioinspiradas de poliestireno (PS-R) e poli (L-ácido láctico) (PLLA-R) com diferentes micro- e nanotopografias foram obtidas a partir de superfícies lisas dos mesmos polímeros (PS-S e PLLA-S) utilizando uma simples metodologia baseada na separação de fases. A linha celular osteoblástica de ratos (MC3T3-E1) e a cultura primária de condrócitos articulares bovinos (bch) foram utilizadas como sistemas modelo para a avaliação da resposta celular a estas superfícies. A análise efectuada por microscopia electrónica de varrimento (SEM) revelou que as superfícies de PS-R exibiam esferas a escala nanométrica distribuídas aleatoriamente que se aglomeravam em estruturas maiores a escala micro métrica, enquanto as superfícies de PLLA-R mostraram estruturas individuais, bem definidas do género de papilas a nível micrométrico, com textura rugosa a nano-escala, muito semelhantes à arquitectura hierárquica da folha de lótus. O ângulo de contacto (WCA) de todas as superfícies foi avaliado ao longo de 12 semanas e mostrou-se estável ao longo do tempo. As medições de WCA juntamente com a técnica de espectroscopia fotoelectrónica de raios X (XPS) comprovou que, embora tendo a mesma superfície química, as superfícies rugosas superhidrofóbicas diferem em molhabilidade das superfícies lisas como consequência das micro- e nano - estruturas particulares da superfície. Um ensaio preliminar de quantificação total de proteína foi realizado e demonstrou uma redução da adsorção de albumina de soro bovino (BSA) em superfícies rugosas em comparação com as superfícies lisas correspondentes, embora quantidades similares de proteína tenham sido adsorvidas no mesmo tipo de superfícies de PS ou PLLA. Foram realizados ensaios biológicos a fim de testar a capacidade das superfícies de PS e PLLA para suportar a adesão e proliferação celular. Ensaios de viabilidade celular, actividade metabólica e quantificação de DNA indicaram que, em geral, as células aderem e proliferam mais rapidamente em superfícies lisas em comparação com as superfícies rugosas. No entanto, as células estiveram metabolicamente activas e foram capaz de aderir e sobreviver até 7 dias de cultura em superfícies de PS-R e até mesmo proliferar um pouco em superfícies de PLLA-R, com adesão celular preferencial em áreas específicas, como revelado pela análise SEM. Ambos os tipos de células mostraram comportamentos semelhantes quando em contacto com as superfícies, embora a linha celular MC3T3-E1 tenha demonstrado melhor desempenho. Estes resultados indicam a relevante influência da molhabilidade sobre o comportamento celular, o que demonstrou não ser muito influenciado pela topografia das superfícies superhidrofóbicas ou pela natureza dos dois polímeros.