Microengineered scaffolds for three- dimensional cell culture applications

Abstract

Tissue engineering is a vast field that arose to fight several flaws inherent to transplants, replacement of damaged tissues, and generalized therapies. In this context, a cell supporting structure, called scaffold, plays a major role in recreating biological microenvironments. Thus, the design and manufacture of threedimensional (3D) scaffolds for cellular interaction studies are required to create complex architectures capable of mimicking specific tissues. An interesting technique for the development of 3D structures is the two-photon polymerization (2PP) method. This nonlinear process induces polymerization of a photosensitive material within extremely small volumes and allow the fabrication of complex architectures with a minimum feature of 200 nm. Resorting to three different 2PP setups, four materials with different stiffness are tested in the manufacture of 3D structures, including the IP-DIP and IP-S resins, the SZ2080 polymer, and the PEGDA 700 hydrogel. The chosen architectures follow a woodpile design, where pores closely match the size of specific cell lines. Various processing parameters, such as laser power, writing speed, and solvent evaporation, are optimized in order to guarantee mechanical stability and proper adhesion to the substrate. The strong intrinsic autofluorescence of the SZ2080 material, which can become problematic during cellular imaging assays, is reduced by up to 90 % with ultraviolet post-treatments. A nanoindenting machine auxiliaries the mechanical characterization of PEGDA 700 pedestals printed with different writing parameters. Preliminary results show a tendency of stiffness increase with extended laser exposure. The IP-S, SZ2080 and PEGDA 700 scaffolds’ biocompatibility is assessed with HeLa and bone marrow mesenchymal stem cell (BM-MSCs) lines, for their relevance in medicine. HeLa cells allow the in-depth study of cervical cancers, and BM-MSCs play key roles in several hematological mechanisms and associated diseases. The interactions between cell lines and developed 3D scaffolds reveal similar optimistic preliminary outcomes in terms of growth, adhesion, and proliferation, regardless the material used. Finally, SZ2080 scaffolds are integrated into culture chambers of microfluidic polydimethylsiloxane (PDMS) devices to allow dynamic cell culture under controlled conditions. After proper optimization, the final device allows the controlled circulation of fluids through the microchannels and culture chambers. Thus, it is demonstrated the potential of these 3D combined platforms, woodpile scaffolds and microfluidic technology, for further 3D cell culture assays in more biomimetic microenvironments with great prospective for developing disease models and more detailed studies of cellular behaviors.

A engenharia de tecidos é um vasto campo que surgiu para combater várias falhas inerentes aos transplantes, substituição de tecidos danificados e terapias generalizadas. Neste contexto, uma estrutura de suporte celular denominada scaffold desempenha um papel fundamental em recriar ambientes biológicos. O desenho e fabrico de scaffolds tridimensionais (3D) para estudos de interação celular são essenciais para criar arquiteturas complexas capazes de mimetizar tecidos específicos. A técnica de polimerização por dois fotões (2PP) é bastante interessante para o desenvolvimento de estruturas 3D. Este processo não linear induz a polimerização de um material fotossensível em volumes extremamente pequenos e permite o fabrico de estruturas complexas com resolução até 200 nm. Recorrendo a três setups 2PP, quatro materiais com rigidez distinta são testados no fabrico de estruturas 3D, as resinas IP-DIP e IP-S, o polímero SZ2080 e o hidrogel PEGDA 700. As estruturas seguem uma arquitetura denominada woodpile, com poros de dimensão próxima de determinadas linhas celulares. Vários parâmetros, como potência do laser, velocidade de fabrico e evaporação do solvente, são otimizados para garantir estabilidade mecânica e adesão ao substrato. A forte autofluorescência intrínseca do material SZ2080, que pode dificultar a aquisição de imagens em ensaios de cultivo celular, é reduzida até 90 % com póstratamentos ultravioleta. A técnica de nanoindentação é utilizada para a caracterização mecânica de pedestais PEGDA 700 fabricados com diferentes parâmetros. Os resultados mostram uma tendência de aumento da rigidez com o aumento de exposição ao laser. A biocompatibilidade das estruturas de IP-S, SZ2080 e PEGDA 700 é avaliada com as linhas celulares HeLa e células-tronco mesenquimais da medula óssea (CTM-MO), devido à sua relevância em medicina. As células HeLa permitem um estudo aprofundado de cancros cervicais e as CTM-MO desempenham um papel fundamental em mecanismos hematológicos e doenças associadas. A interação entre as linhas celulares e os scaffolds 3D revelaram resultados preliminares semelhantes e otimísticos em termos de viabilidade e proliferação, independentemente do material utilizado. Finalmente, os scaffolds de SZ2080 foram integradas em câmaras de cultivo de dispositivos microfluidicos em polidimetilsiloxano (PDMS) para permitir cultivos celulares dinâmicos sob condições controladas. Após otimizado, o dispositivo final permite a circulação controlada de fluidos nos microcanais e câmaras de cultivo. Assim, é demonstrado o potencial destas plataformas combinadas, scaffolds woodpile e tecnologia microfluidica, para futuros ensaios celulares 3D em microambientes mais biomiméticos com elevadas prospectivas para o desenvolvimento de modelos de doenças e estudos detalhados de comportamentos celulares.