Engineering conductive 3D printed biomaterials for ultrasound-driven wireless electrical stimulation and differentiation of human stem cells

January 9, 2026

A regeneração dos tecidos neural e ósseo continua a representar um grande desafio devido à sua arquitetura complexa e exigências funcionais específicas. Esta tese contribui para a engenharia de tecidos através do desenvolvimento de biomateriais multifuncionais combinados com estratégias de estimulação sem fios, que integram polímeros condutores, nanopartículas piezoelétricas e técnicas avançadas de fabrico. Os biomateriais à base de PEDOT: PSS foram otimizados para alcançar maior condutividade elétrica e estabilidade em ambientes aquosos, demonstrando excelente biocompatibilidade com células progenitoras neurais e células estromais mesenquimais humanas. A ativação sem fios de nanopartículas piezoelétricas de titanato de bário por ultrassons permitiu uma estimulação elétrica sem elétrodos, que promoveu a diferenciação neural e a maturação osteogénica, especialmente quando aplicada em estádios adequados do desenvolvimento celular. A bio impressão 3D FRESH foi utilizada para fabricar hidrogéis à base de alginato incorporando estas nanopartículas, suportando elevada viabilidade celular e melhor fidelidade de impressão. A combinação de PEDOT: PSS com nanopartículas piezoelétricas resultou em hidrogéis condutores e piezoelétricos, adequados para aplicações bio eletrónicas, incluindo sistemas inovadores de entrega via tatuagem. Esta abordagem inovadora combina a engenharia de biomateriais com uma técnica minimamente invasiva e centrada no ser humano para estimular tecido neural in vitro. Em conjunto, os resultados demonstram que a integração de biomateriais avançados com modalidades de estimulação sem fios pode orientar eficazmente a diferenciação celular e a formação funcional de tecidos. Estes avanços abrem novas perspetivas para o desenvolvimento de terapias regenerativas direcionadas aos tecidos neural e ósseo, destacando o potencial dos scaffolds bio eletrónicos e da estimulação sem fios como ferramentas transformadoras na medicina regenerativa. The regeneration of neural and bone tissues remains a major challenge due to their complex architecture and functional requirements. This thesis contributes to tissue engineering by developing multifunctional biomaterials combined with wireless stimulation strategies that integrate conductive polymers, piezoelectric nanoparticles, and advanced fabrication techniques. PEDOT: PSS-based biomaterials were optimized to achieve enhanced electrical conductivity and stability in aqueous environments, demonstrating excellent biocompatibility with neural progenitor cells and human mesenchymal stem/stromal cells. The wireless activation of piezoelectric barium titanate nanoparticles via ultrasound provided electrode-free electrical stimulation, which promoted neural differentiation and osteogenic maturation, particularly when applied at appropriate stages of cell development. FRESH 3D bioprinting was employed to fabricate alginate-based hydrogels incorporating these nanoparticles, supporting high cell viability and improved printing fidelity. The combination of PEDOT: PSS and piezoelectric nanoparticles yielded soft, conductive, and piezoelectric hydrogels suitable for bioelectronic applications, including novel tattoo-based delivery systems. This innovative approach merges biomaterials engineering with a transdisciplinary, minimally invasive technique to stimulate neural tissue. Collectively, the findings demonstrate that the integration of advanced biomaterials with wireless stimulation modalities can effectively guide stem cell differentiation and functional tissue formation. These results open new avenues for the development of regenerative therapies targeting neural and bone tissues, emphasizing the potential of bioelectronic scaffolds and wireless stimulation as transformative tools in regenerative medicine.

Authors in the community:

• 

  L

  Laura Sordini

  ist428076

Supervisors of this institution:

• 

  F

  Frederico Castelo Alves Ferreira

  ist24812

• 

  J

  Jorge Manuel Ferreira Morgado

  ist12444

101844786

Doutoramento em Bioengenharia

health-biotechnology - Medical biotechnology

Keywords

• Conductive Polymers
• Piezoelectric Nanoparticles
• 3D Bioprinting
• Neural Tissue Engineering
• Bone Tissue Engineering
• Polímeros Condutores
• Nanopartículas Piezoelétricas
• Bio impressão 3D
• Engenharia de Tecidos Neurais
• Engenharia de Tecidos Ósseos

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Title of the project, award or grant: A new generation of 4D bioprinted electrically conductive hydrogels wireless activatable for induced pluripotent stem cell neural differentiation

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Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: 2020.07979.BD