Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/48680

TitleBiomedical devices engineered based on the control of the surface wettability
Author(s)Oliveira, Nuno Miguel Ribeiro de
Advisor(s)Mano, J. F.
Reis, R. L.
Issue date12-May-2017
Abstract(s)The wettability control has been showed as an important parameter for several systems and applications on the biomedical field. Once the surface wettability has crucial influence in protein adsorption and cell adhesion. Here, the focus was on the technology development based on the advanced control of wettability in surfaces, tuning directly the surface characteristics or modifying surfaces by coating with hydrophobic microparticles (HmP). Superhydrophobic (SH) surfaces can be achieved combining low surface energy and hierarchical topography at nano/microscale. A simple method was developed to prepare SH surfaces, using diatomaceous earth (DE) that was able to confer the desired hierarchical topography. SH surfaces were obtained by further fluorosilanization of surfaces that decreased surface energy. The wettability of surfaces could be modified by plasma treatment in a controlled way. Using masks only specific areas were exposed to plasma, allowing to perform hydrophilic/superhydrophobic patterning on surfaces. Planar SHS of polystyrene (PS) with hydrophilic paths or square spots were developed to engineer devices for cellular studies. Paths worked as channels to drive cell culture medium flows without using walls for liquid confinement. Controlling liquid flows on planar surfaces, a cell culture flow system was developed based on the open fluidics concept. The pertinence of the system was showed by studying the effect of shear stress stimuli combined with bone morphogenic protein (specifically BMP-2) stimulation in the osteogenic differentiation of C2C12 myoblast cells. A synergistic effect of these stimuli combination was found on the osteoblast differentiation. Using similar SH surafces of PS but with hydrophilic squared spots, a hanging drop system (HDS) for the production and culturing of human adipose-derived stem cell (hASC) spheroids under co-culture conditions with different cell types was engineered. The co-culture with Saos-2 cells indicated that the spheroid production and hASC differentiation into an early osteogenic phenotype can be obtained in a onestep procedure. By coating liquid droplets with HmP, which were produced by the fluorosilanization of DE, liquid marbles (LM) were produced. Here, the use of LM was showed for high-throughput drug screening on anchorage-dependent cells. To provide the required cell adhesion sites inside the liquid environment of LM, surface-modified poly(L-lactic acid) microparticles are used. By injecting the chemical agent in study and monitoring color changes inside of LM, cytotoxic screening tests were performed. The presence of viable cells was assessed by injecting AlamarBlue reagent, which changed its color from blue to red in presence of viable cells. The developed method was validated by directly comparing with a standardized method used for cytotoxicity assessment. Inspired by LM, a novel class of hydrophobic hydrogels, which can free-float on the surface of different aqueous media, was created by coating conventional hydrogels with a layer of HmP. It was demonstrated that floating hydrogel-based devices could be developed for pH sensing on liquid surfaces. Such as the floating systems preserved the intrinsic biocompatibility of the core hydrogels, floating tissue constructs were also microengineered. On this work, different biomedical devices could be engineered just based on the control of the surface wettability. These devices have high potential to achieve widespread use, namely for applications in sensing, drug screening, fabrication of 3D microtissues for tissue engineering, and biomedicine.
O controlo da molhabilidade mostra-se como um importante parâmetro em vários sistemas e aplicações na área biomédica. Uma vez que a molhabilidade de superfícies tem grande influência na adsorção de proteínas e adesão celular. Aqui, o foco caiu sobre o desenvolvimento de tecnologia baseada no controlo da molhabilidade de superfícies, manipulando diretamente as características da superfície ou cobrindo superfícies com micropartículas hidrofóbicas (mPH). Superfícies superhidrofóbicas (SSH) podem ser obtidas combinando baixa energia de superfície com topografia à escala nano/micrométrica. Foi desenvolvido um método simples para preparação de SSH, usando terra de diatomáceas (TD) para conferir a topografia desejada e posterior reação química na superfície com um fluorosilano que diminuiu a energia de superfície. A molhabilidade destas superfícies pôde ser alterada de uma forma controlada e seletiva por tratamento de plasma e usando máscaras, permitindo a criação de padrões hidrófilicos/superhidrofóbicos nas superfícies. SSH de poliestireno com padrões hidrófilicos com a forma de tiras ou quadrados foram desenvolvidas para a construção de dispositivos para uso em estudos celulares. As tiras hidrófilicas funcionaram como canais capazes de conduzir o escoamento do meio de cultura sem o uso de paredes físicas. Tendo o controlo do escoamento de fluidos em superfícies planas, um sistema para cultura celular foi desenvolvido sob o conceito de fluídica aberta. A pertinência deste sistema foi mostrada pelo estudo do efeito combinado, da tensão de corte do escoamento com a presença de uma proteína morfogénica do osso (BMP-2), na diferenciação osteogénica de mioblastos C2C12. Tendo sido encontrado um efeito de sinergia entre os dois estímulos na diferenciação. Usando SSH mas com quadrados hidrófilicos, um sistema de gota suspensa foi desenvolvido para a produção e cultura de esferoides de células estaminais humanas extraídas de gordura (hASC) em condições de co-cultura com diferentes tipos de células. A co-cultura com células Saos-2 indicou que se pode, num só passo, produzir e diferenciar esferoides de hASC numa fase inicial do fenótipo osteogénico. Cobrindo uma gota de líquido com mPH – produzidas através de reação química à superfície da TD com um fluorosilano – produziram-se “berlindes líquidos” (BL). Aqui, foi mostrado o uso destes BL para a análise do efeito de fármacos sobre células aderentes. Para fornecer os pontos de adesão essenciais às células usaram-se micropartículas de ácido poliláctico no interior dos BL. Injetando os agentes químicos em análise e monitorizando a mudança de cor no interior dos BL foram realizados testes de rastreio de citotoxicidade. A existência de células viáveis foi determinada através do uso do reagente AlamarBlue, que muda a sua cor de azul para vermelho na presença de células viáveis. O método desenvolvido foi validado por comparação com um método padronizado usado em análises de citotoxicidade. Inspirado nos BL, uma nova classe de hidrogéis hidrofóbicos foi criada cobrindo hidrogéis convencionais com uma camada de mPH, mostrando estes a capacidade de flutuar sobre meio aquoso. Com base neste hidrogéis foram criados dispositivos flutuantes para monitorizar o pH na superfície de um líquido. Como a biocompatibilidade intrínseca do hidrogel base usado se manteve, construções de tecidos celulares flutuantes foram também criadas. Neste trabalho, diferentes dispositivos biomédicos foram construídos apenas com base no controlo da molhabilidade de superfícies. Os dispositivos mostraram um elevado potencial para várias aplicações como monitorização, análise de fármacos e construção de tecidos celulares para engenharia de tecidos.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de Doutoramento em Engenharia de Tecidos, Medicina Regenerativa e Células Estaminais
URIhttp://hdl.handle.net/1822/48680
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
DEP - Teses de Doutoramento

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nuno Miguel Ribeiro de Oliveira.pdf10,25 MBAdobe PDFView/Open

Partilhe no FacebookPartilhe no TwitterPartilhe no DeliciousPartilhe no LinkedInPartilhe no DiggAdicionar ao Google BookmarksPartilhe no MySpacePartilhe no Orkut
Exporte no formato BibTex mendeley Exporte no formato Endnote Adicione ao seu ORCID