Tailoring electroactive polymer nanocomposites for novel muscle tissue engineering applications

Abstract

Os distúrbios a nível do músculo-esquelético têm vindo a crescer continuamente a nível mundial, exigindo novas estratégias para atingir uma regeneração estrutural e funcional. Os polímeros piezoelétricos tem despertado interesse, oferecendo novas oportunidades para a engenharia de tecido do músculo-esquelético, uma vez que estes são electromecanicamente ativos, permitindo a estimulação mecano-elétrica dos tecidos. Neste trabalho, poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), o polímero biocompatível com a maior resposta piezoelétrica foi processado na forma de filmes, fibras e membranas porosas. Biomateriais compósitos foram produzidos com a introdução de nanopartículas de sílica com variação de diâmetro, quantidade e funcionalização, assim como com nanopartículas magnetostritivas (CoFe2O4). Deste modo, foi desenvolvida uma plataforma de polímeros eletroativos com características biomiméticas estruturais e com transdução mecano- e magnetoelétrica até um d33 ≈ |24| pC.N-1 e α33= 16.15 mV.cm-1Oe-1. O efeito da carga superficial dos filmes de PVDF na adesão e diferenciação celular foi investigado. A organização do citoesqueleto de mioblastos C2C12 aderidas a diferentes amostras de PVDF foi estudada por imunofluorescência e as interações entre uma única célula e o PVDF através de Espectroscopia de Força de uma Única Célula. Os mioblastos C2C12 cultivados nas amostras com carga superficial apresentaram uma morfologia mais alongada, independentemente de a carga ser negativa ou positiva. Foi determinado como as propriedades da superfície do material, tanto em termos de polarização (carga superficial positiva ou negativa) como de morfologia (filmes ou fibras) influenciam a diferenciação dos mioblastos, mostrando que o PVDF promove a diferenciação miogénica conforme evidenciado pela fusão e maturação, comprimento, diâmetro e número dos miotubos. As superfícies carregadas melhoram a fusão das células musculares em miotubos diferenciados e o uso de fibras de PVDF orientadas promovem o alinhamento celular. A estimulação dinâmica magnetoelétrica permitiu melhorar o índice de maturação do miotubo comparativamente às condições estáticas, sendo ainda melhorado com a combinação de estímulos químicos (meio de diferenciação) chegando até 70%. A estimulação dinâmica mecano-elétrica direta tem o mesmo efeito que a magnetoelétrica. Assim, este trabalho demonstra que a estimulação mecano-elétrica é uma nova abordagem para aplicações em engenharia de tecido músculo-esquelético.

The prevalence of skeletal muscle disorders has been steadily increasing worldwide, requiring new strategies for their structural and functional regeneration. Piezoelectric polymers have attracted interest offering new opportunities for skeletal muscle tissue engineering (TE), since they are electromechanically active, allowing tissue mechano-electric and electro-mechanical stimulation. In this work, piezoelectric poly(vinylidene fluoride) (PVDF), the biocompatible polymer with the highest piezoelectric response, has been processed in the form of films, fibres and porous membranes. Composite biomaterials were also produced with the incorporation of silica nanoparticles with different diameters, functionalization and content, as well as magnetostrictive nanoparticles (CoFe2O4). This allowed a full set of electroactive polymers with biomimetic structural features and mechano- and magnetoelectric transduction up to d33 ≈ |24| pC.N-1 and α33= 16.15 mV.cm-1Oe-1. The effect of the surface charge of PVDF films on cell adhesion and differentiation was investigated. The cytoskeletal organization of C2C12 myoblasts adhered to different PVDF samples was studied by immunofluorescence and the interactions between single live cells and PVDF were analyzed by Single Cell Force Spectroscopy. C2C12 myoblasts seeded on samples with surface charge showed a more elongated morphology, independently of the charge being negative or positive. It was further determined how the surface properties of the material, both in terms of the poling state (positive or negative net surface charge) and their morphology (films or fibres) influence myoblast differentiation, showing that PVDF promotes myogenic differentiation as evidenced by myotube fusion and maturation index, length, diameter and number. Charged surfaces improve the fusion of muscle cells into differentiated myotubes and the use of oriented β-PVDF electrospun fibres scaffolds cell alignment. Magnetoelectric dynamic stimulation allowed to improve myotube maturation index comparatively to the static conditions being further enhanced with the combination of chemical stimuli (differentiation medium) up to ≈ 70%. Further, direct mechanoelectric dynamic stimulation also increases the maturation index of myotubes. Thus, this work convincingly demonstrates that mechano-electrical stimulation is a novel and suitable approach for skeletal muscle TE applications.