Melt electrospinning for the production of osteochondral scaffolds with functional and compositional gradients

Gonçalo Nunes da Silva Carvalhão

Key information

Authors:

Gonçalo Nunes da Silva Carvalhão (Gonçalo Nunes da Silva Carvalhão)

Supervisors:

Maria Margarida Fonseca Rodrigues Diogo (Maria Margarida Fonseca Rodrigues Diogo); Joseph A. M. Steele

Published in

11/22/2016

Abstract

A criação de materiais funcionalizados permite a produção de superfícies quimicamente modificadas que são de extrema importância em Engenharia de Tecidos. Por este motivo, a técnica de fabricação destas estruturas deve ser suficientemente precisa para recrear a topografia de tecidos vivos. Tendo em conta esta necessidade pela engenharia de superfícies para a medicina regenerativa, é aqui descrita a produção de scaffolds recorrendo à técnica de melt electrospinning para processamento de policaprolactona (PCL) funcionalizada com péptidos que promovem adesão celular e com um polímero que permite a criação de superfícies deslizantes capazes de impedir esta mesma característica. Para tal, um péptido com afinidade para formar ligações com ácido hialurónico foi sintetizado recorrendo à síntese peptídica em fase sólida, conjugada ao material que serve de base aos scaffolds, PCL, e processada por melt electrospinning. O mesmo procedimento foi realizado para uma sequência peptídica usada para promover a adesão celular, cRGDS. No que diz respeito à funcionalização de PCL recorrendo a polímeros, este foi modificado com um iniciador de polimerização que foi posteriormente processado por melt electrospinning e o scaffold resultante foi polimerizado usando activators regenerated by electron transfer atom transfer radical polymerization (ARGET ATRP) para criar na sua superfície um sistema do tipo bottle brush composto pelo polímero poli(etileno glicol metacrilato) (POEGMA). A presença dos elementos funcionalizantes na superfície de fibras de PCL foram confirmadas e a produção das fibras foi otimizada para produzir scaffolds com diferentes graus de adesão celular. Superfícies deslizantes e superfícies que promovem a adesão celular tais como as das articulações sinoviais, e da cartilagem e osso, respetivamente, têm um grande potencial para o tratamento e regeneração de lesões osteocondreais. The creation of functionalized materials offers the advantage of chemically tailoring surfaces that are useful for tissue engineering (TE). For that purpose, the processing technique to produce such structures must be precise enough in order to recreate the topographical geometry of living tissues. Bearing in mind the need for this controlled surface engineering, it is hereby described the production of poly(ɛcaprolactone) scaffolds through melt electrospinning materials functionalized with cell-binding peptides and antifouling polymer for the creation of gliding surfaces. A hyaluronic acid–binding peptide (HA-BP) was synthesized using manual Fmoc solid-phase peptide synthesis, conjugated to PCL and processed by melt electrospinning to produce scaffolds. The same procedure was performed for another cell adhesion peptide, cRGDS. For polymer functionalization of materials, PCL was modified with an activators regenerated by electron transfer atom transfer radical polymerization (ARGET ATRP) initiator that was then melt electrospun and post-polymerized to create a poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (pOEGMA) bottlebrush system through ARGET ATRP. The presence of the functionalization elements on PCL surfaces was confirmed and the production of fibres was optimized to produce scaffolds aiming at the creation of platforms with different degrees of cell adherence. Gliding and cell-adhesive surfaces such as those found in synovial joints, and cartilage and bone, respectively, are of great potential for the demanding therapeutic procedures and regeneration for osteochondral injuries.