Development of natural-based hydrogel particles using a biomimetic methodology

Abstract

Superhydrophobic (SH) surfaces have been greatly explored in the biomedical field. Such surfaces are inspired by the repellent properties of natural structures. The most well known example is the lotus leaf, which has the capacity to repeal the water droplets due to the presence of micro/nano topographical features and the low surface energy. One particular application of artificial SH surfaces is their employment as supports where liquid droplets of aqueous-based polymeric solutions are dispensed, acquiring an almost spherical shape. Through application of one or multiple hardening steps solid particles are obtained in a fast way. Using this methodology, a variety of functional natural-based hydrogel spherical systems encapsulating cells and/or drugs are proposed in this thesis. The strategy of the first proposed system is the incorporation of cyclodextrins (CDs) in the dextranmethacrylate (Dex-MA) microgels networks in order to improve their loading efficiency for hydrophobic drugs. The formation of inclusion complexes between CDs and dexamethasone, when the CDs were copolymerized, increased significantly the amount of drug in the Dex-MA particles, when compared with formulations without or with freely dispersed CDs. Chitosan (Chi), unless it has been modified, is soluble in acidic media, which turn it incompatible with encapsulation of cells or pH sensitive molecules. The second system proposed envisaged a mild Chi-based system with two sequential hardening steps, where dexamethasone or fibroblast-like cells were successfully entrapped. SH surfaces methodology was also used to co-encapsulate cells and proteins into hydrogel particles without compromise the cell viability and protein activity. Collagen combined with platelet lysates were used to obtain easy-to-handle spherical formulations being capable to act as in situ growth factors release system as well as reservoirs of human adipose derived stem cells, for applications in skin regeneration. Mesenchymal stem cells derived from bone marrow and fibronectin were also encapsulated inside alginate spheres and the system was studied for bone regeneration. The control of the release of bioactive agents may be achieved by adjusting the chemistry and physical parameters such as particles architecture. Multicompartmentalized systems have emerged and are envisioned to be the next area of development due to the possibility to confines various bioactive agents exhibiting a variety of release kinetics. Taking advantage of the simplicity of the SH surfaces methodology, core/shell and multilayered particles composed by Dex-MA and alginate were efficiently prepared, with cells or drugs encapsulated into individual compartments. The developed work shows that a wide variety of particles useful for biomedical application, ranging from homogeneous spherical matrices to compartmentalized systems, could be obtained under mild conditions and in a fast way, using SH surfaces.

Superfícies superhidrofóbicas (SH) têm vindo a ser exploradas no campo biomédico. Estas superfícies são inspiradas nas propriedades repelentes de estruturas naturais. O exemplo mais conhecido é a folha de lótus, com a sua capacidade de repelir gotas de água devido à presença de micro/nano estruturas e baixa energia de superfície. Uma aplicação particular das superfícies SH artificiais é a sua utilização como suportes onde gotas de soluções poliméricas de base aquosa são dispensadas, adquirindo uma forma quase esférica. Através da aplicação de um ou múltiplos passos de solidificação, partículas sólidas são obtidas de uma forma rápida. Usando esta metodologia, uma variedade de hidrogéis funcionais de base natural, encapsulando células e/ou fármacos, são propostos nesta tese. A estratégia do primeiro sistema proposto é a incorporação de ciclodextrinas (CDs) em microgéis de dextrano-metacrilatado (Dex-MA), com o intuito de melhorar a sua capacidade de carga para fármacos hidrofóbicos. A formação de complexos de inclusão entre CDs e dexametasona, quando as CDS estavam co-polimerizadas, aumentou significativamente a quantidade de fármaco no interior das partículas, quando comparadas com formulações sem, ou com CDs livres. O quitosano, a não ser que esteja modificado, é solúvel em meios ácidos, o que o torna incompatível com o encapsulamento de células ou moléculas sensíveis ao pH. O segundo sistema proposto teve como objectivo a produção de sistemas não agressivos, através de dois passos sequenciais de gelificação do quitosano, onde dexametasona e/ou fibroblastos foram encapsuladas com sucesso. A metodologia das superfícies SH foi também usada para o co-encapsulamento de células e proteínas em hidrogéis sem comprometer a viabilidade das células nem a atividade das proteínas. Colagénio combinado com lisados de plaquetas foram usados para obter formulações fáceis de manusear, sendo estas capazes de atuar como sistema de libertação de factores de crescimento in situ e também como reservatório de células estaminais derivadas do tecido adiposo, para a regeneração de pele. Em outro sistema apresentado, células estaminais mesenquimais e fibronectina foram encapsulados em esferas de alginato e o sistema foi estudado para regeneração óssea. O controlo da libertação de agentes bioativos pode ser conseguido através do ajuste da química e de parâmetros físicos tal como a arquitetura das partículas. O potencial dos sistemas multicompartimentalizados tem emergido devido à possibilidade de encapsulamento de vários agentes bioativos exibindo diferentes cinéticas de libertação. Aproveitando a simplicidade da metodologia das superfícies SH, partículas com uma ou mais camadas, compostas por Dex-MA e alginato foram eficientemente preparadas, encapsulando células e fármacos em compartimentos individuais. Os trabalhos desenvolvidos mostram que uma grande variedade de partículas úteis para aplicações biomédicas, desde matrizes esféricas homogéneas até sistemas compartimentalizados, podem ser obtidos em condições não agressivas e de uma forma rápida, usando superfícies SH.