Novel polymeric systems based on natural materials : development and biological performance

Abstract

Tissue Engineering has been widely studied as an alternative approach to treat tissue defects resulting from a disease or injury. Most of these studies use materials developed into different forms/structures as templates for cell attachment (or entrapment) and proliferation. The present thesis, focused on the development and characterization of distinct natural origin polymeric systems that can find different applications in tissue engineering. The first system studied consists of membranes and 3D-scaffolds based on chitosan, a biodegradable polymer of natural origin that shows adequate properties for several potential biomedical applications such as wound healing, skin substitutes, drug delivery, cell encapsulation and others. In this work, it was evaluated the general cytotoxicity and biocompatibility of several different chitosan membranes and 3D-chitosan scaffolds formulations, but the major focus was on the assessment of the effect of plasma surface treatments on the ability of chitosan membranes to promote cell adhesion and proliferation. For this purpose, the surface of the chitosan based membranes was modified by plasma treatment, using argon and nitrogen gas. Different in vitro cell culturing assays performed (MEM, MTT, MTS) showed that such treatments were useful to obtain enhanced cell attachment and proliferation on chitosan membranes. In fact, chitosan membranes treated by plasma, demonstrated a high potential for biomedical applications, such as substrates for skin tissue engineering. Additionally, plasma treatment procedure seems to have potential to be implemented in other chitosan-based materials, such as scaffolds for tissue engineering. The second part of the work developed under this thesis was focused on the development of a novel cell encapsulation system based on two different natural origin polymers, namely alginate, a well know polymer widely studied for cell encapsulation, drug delivery, and carrageenan, a natural origin polymer that has not been significantly studied for biomedical applications despite its intrinsic interesting properties. Cell encapsulation systems allow to obtain constructs with a homogenous cell distribution that can adapt to the shape of the tissue defect to be treated, as the microcapsules containing the cells can be easily injected into a tissue defect, using non-invasive surgical procedures. Microcapsules were developed using kappa and iota-carrageenan, as well as a mixture of sodium alginate and iota-carrageenan. In all cases, chitosan was used to form the membrane of the capsules. All the developed capsules exhibited spherical shape, smooth surface and revealed good stability in PBS and in culture medium. The obtained results demonstrate that the incorporation of iota-carrageenan improves the stability of alginate based capsules and suggest that these capsules show adequate permeability for cell encapsulation without the need for additional citrate treatments (as it happens for alginate capsules). In fact, cell encapsulation experiments, using sodium alginate and iota-carrageenan (30/70%) capsules demonstrated that is possible to maintain cellular viability, demonstrating the potential of the developed system for tissue engineering applications.

A engenharia de tecidos tem sido estudada extensamente como uma alternativa para o tratamento de tecidos danificados por uma doença ou trauma. A maioria destes estudos utiliza materiais desenvolvidos para o efeito com formas/estruturas diferentes, como suportes para a proliferação e adesão de células (ou encapsulamento de células em sistemas poliméricos). O trabalho apresentado, focou-se no desenvolvimento e caracterização de sistemas poliméricos de origem natural distintas com aplicações diferentes em engenharia de tecidos. Na primeira parte do trabalho estudou-se à biocompatibilidade de membranas e estruturas porosas (“3D-scaffolds”) baseadas no quitosano, um polímero biodegradável de origem natural, que exibe propriedades adequadas para diversas potenciais aplicações biomédicas, relacionadas com a cicatrização de feridas, suportes para engenharia de tecidos, libertação controlada de fármacos e encapsulamento de células, entre outras. Foi avaliada a citotoxicidade e a biocompatibilidade de membranas com diferentes formulações e estruturas tridimensionais porosas baseadas no quitosano, sendo o objectivo principal a avaliação do efeito do tratamento de plasma na superfície das membranas de quitosano na promoção a adesão e proliferação de células. A superfície das membranas de quitosano foi modificada utilizando um tratamento por plasma, usando árgon e azoto. Foram realizados diferentes testes de culturas celulares in vitro (MEM, MTT, MTS), os quais demonstraram que os tratamentos por plasma, melhoram significativamnte á adesão e proliferação de células nas membranas de quitosano. De facto, as membranas de quitosano tratadas por plasma demonstraram um elevado potencial para aplicações em engenharia de tecidos. A segunda parte do trabalho consistiu no desenvolvimento de um novo sistema para encapsulamento de células baseado em dois polímeros diferentes, ambos de origem natural, nomeadamente o alginato, um conhecido polímero extensamente estudado para encapsulamento de células e em sistemas para a libertação de fármacos, e o carragenano que, apesar exibir algumas propriedades intrínsecas interessantes, não tem sido muito estudado para aplicações biomédicas. Os sistemas de encapsulamento de células permitem obter sistemas híbridos tridimensionais de células e materiais (constructs) com uma distribuição celular homogénea que podem adaptar-se à forma do defeito do tecido a ser tratado, uma vez que as microcápsulas podem ser facilmente injectadas no defeito a tratar, utilizando técnicas cirurgicas de invasão mínia. Estes sistemas híbridos podem ser usados para a regeneração de diversos defeitos tecidulares e podem também ser usados simultaneamente como veículos para a libertação de agentes bioactivos. As microcápsulas foram desenvolvidas usando kappa-carragenano e o iota-carragenano assim como misturas de alginato de sódio e de iota-carragenano. Em todos os casos foi utilizado o quitosano para formar a membrana envolvente das cápsulas. Todas as cápsulas desenvolvidas exibem uma forma esférica, uma superfície lisa e estabilidade adequada em PBS e no meio de cultura. Os resultados obtidos demonstraram que a incorporação do iota-carragenano melhora a estabilidade das cápsulas baseadas em alginato, o que indica que estas cápsulas apresentam permeabilidade adequada para o encapsulamento de células sem a necessidade de um tratamento adicional de citrato (como acontece para as cápsulas de alginato). Assim sendo, os ensaios de encapsulamento de células em cápsulas feitas de alginato de sódio e iota-carragenano (30/70%) provaram que é possível manter a viabilidade celular, demonstrando o potencial do sistema desenvolvido para aplicações em engenharia de tecidos.