Development of smart hydrogels for biomedical applications

Abstract

Hidrogéis inteligentes são redes poliméricas responsivas que sofrem alterações nas suas propriedades quando estímulos, como temperatura, pH e campos elétricos ou magnéticos, são aplicados. Nas últimas décadas, os hidrogéis inteligentes tornaram-se uma próspera fronteira de pesquisa no campo da engenharia biomédica, inclusive em eletrónica médica, onde se mostram eficazes como biossensores, bioelétrodos, válvulas inteligentes e em aplicações de microfluídica. No âmbito deste projeto, hidrogéis de ácido hialurónico modificado com dopamina e anticorpos do recetor Nogo foram desenvolvidos com potencial aplicação no tratamento de lesões no sistema nervoso central e, em particular, na espinal medula. Estas lesões são uma das principais causas de incapacidade a longo prazo e não existe tratamento atualmente. Sendo assim, torna-se urgente desenvolver novas estratégias capazes de induzir neuroregeneração e promover uma recuperação funcional do paciente. O ácido hialurónico foi quimicamente modificado com grupos catecol que reticulam quimicamente, permitindo a formação do hidrogel. A introdução de grafeno funcionalizado no hidrogel aumenta substancialmente a sua condutividade elétrica e o cultivo de células neuronais demonstrou que hidrogéis modificados com grafeno são biologicamente mais viáveis do que aqueles sem grafeno. De uma forma geral, os hidrogéis produzidos, inspirados na natureza, providenciam uma matriz tridimensional estável e biocompatível, com uma condutividade elétrica reforçada, revelando assim potencial como uma plataforma inteligente para o tratamento de lesões na espinal medula. Ademais, hidrogéis termossensíveis baseados em poli(isocyano)péptidos foram utilizados para o estudo do efeito de sais na microestrutura destas redes tridimensionais. A influência de sais nas propriedades mecânicas e térmicas de hidrogéis já terá sido anteriormente provada e descrita. No entanto, o seu efeito na microestrutura destas redes era até agora pouco conhecido. Os resultados obtidos mostram que os três sais, iodeto, cloreto e perclorato de sódio, têm uma influência significativa no diâmetro e conectividade dos poros e na porosidade do hidrogel. Em particular, cloreto de sódio mostrou uma influência notável nestes parâmetros estruturais. Desta forma, conclui-se que a adição de sais a hidrogéis físicos fibrosos pode ser utilizada como técnica para manipular a sua microestrutura. Assim, esta dissertação aborda duas classes diferentes de hidrogéis sob duas finalidades distintas. Todavia, ambos os sistemas apresentam um potencial promissor como materiais inteligentes em resposta a estímulos elétricos ou mecânicos/térmicos que deve ser futuramente escrutinado.

Smart hydrogels are stimuli-responsive polymeric networks able to undergo changes in their properties upon the application of triggers, such as temperature, pH and electric or magnetic fields. Since the last few decades, smart hydrogels became a thriving research frontier in the biomedical engineering field, including in medical electronics, where they were proved effective as biosensors, bioelectrodes, smart valves, and in microfluidic applications. Herein, dopamine-modified hyaluronic acid (HA)-based hydrogels with nogo receptor (NgR) antibodies were developed to treat the central nervous system (CNS) and, in particular, spinal cord injuries (SCIs). These conditions are one of the leading causes of long-term disability across the world and there is no current treatment. Thus, it is urgent to develop novel strategies that induce neuroregeneration and promote functional recovery. Our chemically modified HA formed a hydrogel under alkaline pH by the chemical crosslinking of catechol groups. The introduction of functionalized graphene (FG) increased substantially the electrical conductivity of the hydrogels and upon the seeding of neuronal cells the hydrogel with graphene showed higher viability than the unmodified network. Overall, our bioinspired hydrogel provides a stable and biologically compatible three-dimensional (3D) matrix with a reinforced electrical conductivity and a promising potential as a smart scaffold-based therapy for SCIs. In addition, thermosensitive and mechanoresponsive polyisocyanopeptide (PIC)-based hydrogels were used as a model system to study the effect of added salts on the microstructure of these 3D networks. Indeed, the influence of salts on hydrogels mechanical and thermal properties has already been proved and described. However, their effect on the microstructure of these networks was until now vastly unknown. The results obtained show that the three different salts, sodium iodide (NaI), sodium chloride (NaCl) and sodium perchlorate (NaClO4), have a significant influence on the diameter and connectivity of the network pores, as well as on the overall porosity of the hydrogel. In particular, NaCl showed a remarkable influence on these structural parameters. Thus, it is concluded that the addition of salts to fibrous physical hydrogels may be used as a technique to tailor their microstructure. Therefore, this dissertation is focused on two different types of hydrogels with two different aims. Both systems, however, present a promising potential as smart materials in response to electrical or mechanical/thermal stimuli that must be further scrutinized as future work.