Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/55934

TitleDevelopment of active and biodegradable hydrogels for bone tissue engineering applications
Author(s)Hermenegildo, Bruno Filipe da Costa
Advisor(s)Ribeiro, Clarisse Marta Oliveira
Gomes, Andreia C
Issue date2018
Abstract(s)This thesis project will focus on the study and development of an injectable cell-laden hydrogel, functionalized with smart piezoelectric microspheres, for the treatment of bone injuries, defects and degenerative diseases, using concepts and technologies from the fields of tissue engineering, nanotechnology, physics and biology. A three-dimensional (3D) arrangement of cells in an adequate support has been shown to be the best way to mimic the natural environment of tissues in vivo. Hydrogels have become a popular material to create this support structure for 3D cell culture assays due to their substantial water content, being easily tailored, being able to enhance osteogenic differentiation when mixed with cell interactive ligands or osteoinductive elements and by the ability of modifying the mechanical properties of the hydrogel through mechanical stimulation. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) microspheres were produced by electrospray, with the polymer concentration in solution being optimized for the minimum required value. The optimized solution was used for producing magnetoelectric microspheres of PVDF and cobalt ferrite (CoFe2O4), with CoFe2O4 content in solution between 20-40 percentage by weight (wt. %) and with CoFe2O4 content in the microspheres between 14-30 wt. %. The inclusion of the nanoparticles did not affect the β-phase content (>75%), had a small influence in the crystallinity (32-45%), and greatly reduced the average size of the microspheres (0.5-1.7μm). The results also suggest that using high dispersion methods may result in a variation of the nanoparticle content in the microspheres with time, which could be relevant for some high-sensitivity applications. These microspheres were incorporated in a commercial hydrogel, mimsys® G, and were responsible for tripling the rigidity of the hydrogel, under unconfined compression. In order to evaluate the cellular response to this new material, cytotoxicity and cellular adhesion trials were conducted. High cell survivability was registered (>88%), and, when microspheres were incorporated in the hydrogel, no changes in its ability to support adherent cells was registered.
Este projeto de tese foca-se no estudo e desenvolvimento de um hidrogel injectável, com osteoblastos incorporados na sua matriz polimérica, funcionalizado com partículas piezoelétricas inteligentes, para o tratamento de lesões ósseas, traumas e doenças degenerativas, utilizando conceitos e tecnologias dos campos de engenharia de tecidos, nanotecnologia, física e biologia. Uma disposição tridimensional (3D) de células suportadas por uma estrutura de apoio é a melhor forma de imitar o ambiente natural dos tecidos in vivo. Os hidrogéis tornaram-se um material para a criação destas estruturas de suporte para ensaios de culturas celulares em 3D devido ao seu elevado teor de água, por serem facilmente adaptados às necessidades individuais das células, por serem capazes de melhorar a diferenciação osteogénica quando na presença de ligantes celulares ou elementos osteoindutivos e por ser possível alterar as propriedades mecânicas do hidrogel através de estimulação mecânica. Microesferas de poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) foram produzidas por electrospray, sendo que a concentração de polímero em solução foi otimizada para o valor mínimo. A solução otimizada foi utilizada para produzir microesferas magnetoelétricas de PVDF e ferrite de cobalto (CoFe2O4), com conteúdo de CoFe2O4 em solução entre 20-40% de massa, e com o conteúdo de CoFe2O4 em microesferas entre 14-30% de massa. A introdução de nanopartículas não afetou a quantidade de fase β (> 75%), mas teve uma pequena influência na cristalinidade (32-45%) e reduziu consideravelmente o tamanho médio das partículas (0.5-1.7μm ). Os resultados também sugerem que o uso de métodos de dispersão de elevada velocidade podem resultar numa variação do conteúdo de nanopartículas nas esferas com o tempo, o que pode ser relevante para algumas aplicações de alta sensibilidade. Estas microesferas foram incorporadas num hidrogel comercial, mimsys® G, triplicando a rigidez deste em testes de compressão não-confinada. De forma a analisar a resposta celular a este novo material, foram efectuados testes de citotoxicidade e de adesão celular. Foi observada uma elevada taxa de sobrevivência das células (>88%), e, quando se incorporaram as microesferas no hidrogel, não se observaram alterações na capacidade deste em suportar células aderentes.
TypeMaster thesis
DescriptionDissertação de mestrado em Biophysics and Bionanosystems
URIhttp://hdl.handle.net/1822/55934
AccessRestricted access (UMinho)
Appears in Collections:BUM - Dissertações de Mestrado

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