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Advanced nanocomposites based on bioactive glass nanoparticles for biomedical applications

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Main Author: Leite, Álvaro Joel Moreira
Publication Date: 2019
Language: por
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: http://hdl.handle.net/1822/66119
Summary: Tese de Doutoramento em Engenharia Biomédica
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spelling Advanced nanocomposites based on bioactive glass nanoparticles for biomedical applicationsEngenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaTese de Doutoramento em Engenharia BiomédicaIn biomedicine, there is a need to control the interaction of the biomaterials with the environment at the nano level. Herein, bioactive nanocomposites based on natural polymers were designed to fulfil the requirements of advanced tissue engineering. First, natural polymers from different sources were employed: plant (cashew gum), animal (chondroitin sulphate, hyaluronic acid, and gelatin), and marine-derived (alginate and chitosan). Moreover, their opportune functionalization by carboxymethylation, oxidation, or methacrylation, were performed to tailor the final polymer properties and span their applicability. Then, inorganic phases such as bioactive ions (Ca2+ and PO4 3-) or sol-gel derived bioactive glass nanoparticles (BGNPs) were strategically conjugated with the polymeric matrices to endow a bioactivity behavior. Besides the conventional exploited composition of BGNPs based in the ternary system (SiO2-CaO-P2O5), a quaternary system consisting of doped strontium bioactive glass nanoparticle (Sr-BGNPs, SiO2-CaO-P2O5-SrO) and hydrophobic bioactive glass nanoparticle (H-BGNPs) were also successfully developed. Despite maintaining a bioactive performance, these novel nanoparticles improved osteogenic differentiation and allowed confined bioactive coatings, respectively. The manufacturing of the nanocomposites was achieved through cuttingedge and innovative micro and nanofabrication technologies: layer-by-layer (LbL); superhydrophobic surfaces (SHS); liquid marbles; and 3D printing. Crosslinking agents including genipin, irgacure or CaCl2 were also employed. The acquired know-how allowed the design of multifunctional bioactive systems ranging from ionic enriched multilayered thin films, shape memory scaffolds, biomaterial high-throughput platforms, hydrogels with nanostructured shells, and tailor-made hydrogel meshes. These nanocomposite systems were assessed by standard hi-tech methods: AFM; contact angle; DLS and ζ-potential; DMA; EDX; FTIR; ICP; QCM-D; rheology; SEM; XPS; XRD; μ-CT; RT-PCR; immunodetection; fluorescent microscopy and immunolabelling. Moreover, the in-vitro biological performance was evaluated on human umbilical vein endothelial cells (HUVECs); osteoblastic like cells (SaOs‑2); pre-osteoblast cell line (MC3T3-E1); human osteoblast-like cell (MG-63); and human adipose stem cells (hASCs). Overall, these bioactive systems possessed increased osteoconductive properties demonstrated by the establishment of bone-like mineralization in simulated physiological environments. Moreover, they could smartly store and release therapeutic drug models. Furthermore, the engineered systems showed superior biocompatibility, sustained cell viability, proliferation, and early osteogenic commitment of pre‑osteoblastic cell lines and stem cells, potentiating bone cell therapy. The work herein described could find direct purposes in bone tissue regeneration, but also expands their applicability in the fields of biotechnology, materials science, and chemistry for applications in sensing, drug screening, fabrication of 3D microtissues, and biomedicine.Na biomedicina, o controlo da interação dos biomateriais com o meio ambiente à escala manométrica tornou-se uma necessidade. Assim, nanocompósitos bioativos baseados em polímeros naturais foram projetados para preencher os requisitos da engenharia de tecidos. Primeiro, utilizou-se polímeros naturais de diferentes fontes: vegetal (goma de caju), animal (sulfato de condroitina, ácido hialurônico, e gelatina) e derivados marinhos (alginato e quitosano). Além disso, foi realizada a sua funcionalização oportuna por carboximetilação, oxidação ou metacrilação para adequar as propriedades finais do polímero e ampliar seu uso. Posteriormente, fases inorgânicas, como os iões bioativos (Ca2+ e PO4 3-) ou nanopartículas de vidro bioativas produzidas por sol-gel (BGNPs) foram estrategicamente conjugadas com as matrizes poliméricas para as dotar de bioatividade. Além da composição convencional de BGNPs baseados no sistema ternário (SiO2-CaO-P2O5), foi também desenvolvido um sistema quaternário de nanopartículas de vidro bioativo dopadas com estrôncio (Sr-BGNPs, SiO2-CaO-P2O5-SrO) e nanopartículas de vidro bioativas hidrofóbicas (H-BGNPs). Além de manter a bioatividade, estas novas nanopartículas melhoraram a diferenciação osteogênica e permitiram revestimentos bioativos confinados. A produção dos nanocompósitos realizou-se através de tecnologias inovadoras de micro e nanofabricação: “layer-by-layer” (LbL); superfícies super-hidrofóbicas (SHS); berlindes líquidos; e impressão 3D. Agentes de reticulação como a genipina, irgacure ou CaCl2 foram também empregues. Este conhecimento permitiu a concepção de sistemas bioativos multifuncionais, desde filmes ultrafinos em multicamada enriquecidos com iões, scaffolds com memória de forma, plataformas de alto rendimento para o rastreio de biomateriais, hidrogéis com revestimentos nanoestruturados, e malhas de hidrogeis. Os nanocompósitos foram avaliados por métodos padrão: AFM; ângulo de contato; DLS e potencial-ζ; DMA; EDX; FTIR; ICP; QCM-D; reologia; SEM; XPS; XRD; μ-CT; RT-PCR; imunodetecção; microscopia de fluorescência e imunomarcação. O desempenho biológico in vitro foi avaliado em células endoteliais humanas provenientes de veias umbilicais (HUVECs); células semelhantes a osteoblastos (SaOs-2); linhas celulares pré-osteoblásticas (MC3T3-E1); células humanas semelhantes a osteoblastos (MG-63); e células estaminais do tecido adiposo (hASCs). Na generalidade, estes sistemas bioativos demonstraram propriedades osteocondutoras, expressas pelo aparecimento de mineralização em ambientes fisiológicos simulados. Além disso, os sistemas foram capazes de armazenar e libertar de forma inteligente modelos de fármacos. Os sistemas projetados mostraram ainda biocompatibilidade, uma viabilidade celular sustentada, proliferação, e um compromisso osteogênico precoce, potencializando a terapia de células ósseas. O trabalho aqui descrito encontra desígnios diretos na regeneração do tecido ósseo, mas também expande a sua aplicação nas áreas de biotecnologia, ciência de materiais e química para aplicações em triagem de drogas, construção de microtecidos em 3D e biomedicina.Mano, J. F.Universidade do MinhoLeite, Álvaro Joel Moreira2019-11-272019-11-27T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/66119por101611579info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T07:20:10Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/66119Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T16:23:34.075485Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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