Preparação de matrizes fibrosas fotoreticuladas para a regeneração de tecido vascular

Abstract

As doenças cardiovasculares são a principal causa de mortalidade a nível global. As complicações causadas por estas doenças obrigam ao recurso a cirurgias de bypass usando, geralmente, um vaso autólogo. Quando isto não é possível, a alternativa passa pelo uso de próteses vasculares heterólogas ou sintéticas. Face às limitações apresentadas por estes materiais, atualmente o trabalho de investigação dirige-se no sentido de desenvolver próteses por técnicas de engenharia de tecidos, ou seja, recorrendo a materiais biodegradáveis. Assim, a engenharia de tecidos propõe soluções para a reparação de vasos sanguíneos utilizando polímeros biodegradáveis como scaffolds. Os scaffolds fornecem o suporte necessário para que as células se fixem, proliferem e mantenham a sua função diferencial, favorecendo, desta forma, a regeneração do tecido. No presente trabalho pretendeu-se desenvolver um scaffold adequado para a regeneração de tecido vascular. Para tal fabricaram-se várias matrizes fibrosas fotoreticuladas, compostos por policaprolactona (PCL) e gelatina modificada com grupos metacrilamida (GelMA). A gelatina foi inicialmente funcionalizada com grupos metacrílicos de forma a possibilitar a sua reticulação química por polimerização radicalar. As matrizes fibrosas foram produzidas por electrospinning, empregando duas variações desta técnica: electrospinnning por blending e electrospinning coaxial. A primeira abordagem permitiu a produção de fibras homogéneas, compostas pela mistura de PCL e GelMA, enquanto que na segunda abordagem produziram-se fibras com uma estrutura “casca”-núcleo (core –shell), com o núcleo da fibra formado por PCL e a camada exterior formada por GelMA. Em ambas as abordagens produziram-se fibras com diferentes proporções dos dois componentes. Após o processo de electrospinning todas as membranas obtidas foram submetidas a um processo de fotoreticulação por irradiação de luz UV, de forma a reticular quimicamente a GelMA presentes nas fibras. As diferentes membranas poliméricas desenvolvidas, foram caracterizadas relativamente às suas propriedades químicas, morfológicas e biológicas.A análise SEM permitiu concluir que as fibras fotoreticuladas produzidas por electrospinning por blending apresentam sinais de degradadação quando a concentração de GelMA é mais elevada. Por sua vez, o processo de fotoreticulação não influencia a morfologia da superfície das fibras coaxiais. A análise de FTIR permitiu identificar a presença dos dois polímeros utilizados nas fibras sintetizadas. O estudo de perda de massa comprovou indiretamente o sucesso do processo de fotoreticulação, revelando que o as membranas fotoreticuladas perdem menos massa que as suas homólogas não retículadas. A determinação dos ângulos de contacto dinâmicos demonstrou que o scaffold de PCL exibia um carácter marcadamente hidrofóbico, contrariamente às membranas compósitas com GelMA que evidenciam um carácter hidrofílico. Relativamente aos estudos de hemocompatibilidade, estes demonstraram que o scaffold composto por PCL apresenta uma menor tendência para formar trombos. Todas as membranas compostas por GelMA são trombogénicas, sendo a formação de trombos mais elevada no caso das fibras coaxiais. A determinação do índice hemolítico sugere que nenhum dos scaffolds produzidos apresenta carácter hemolítico, apresentando um índice hemolítico inferior a 5%. Por fim, os estudos de viabilidade celular demonstram que os fibroblastos dermais, quando em contacto com as membranas sintetizadas, têm a capacidade de proliferar e aderir aos materiais. Face aos resultados apresentados, conclui-se que os scaffolds sintetizados possuem elevado potencial para o uso na regeneração do tecido vascular.

Cardiovascular diseases are the leading cause of mortality around the globe. The complications caused by these diseases require the use of bypass surgery using, generally, autografts. When these vessels are not available, the alternative is the use of heterologous or synthetic prosthesis. Given the limitations presented by these materials, currently, the research work is directed towards the development of prostheses by tissue engineering techniques, using biodegradable materials. Thus, tissue engineering offers solutions for repairing blood vessels using biodegradable polymers as scaffolds. The scaffolds provide the necessary support for the cells to attach, proliferate and maintain their differential function, favoring the tissue regeneration The work here described aimed to the development of suitable scaffolds for vascular regeneration. For this purpose, photocroslinkable fibrous mats composed of polycaprolactone (PCL) and gelatin methacrylamide (GelMA) were produced. Gelatin was firstly functionalized with methacrylic groups, in order to enable its chemical crosslinking by radical polymerization. Fibers mats were produced by electrospinning, using two variations of this technique: blending electrospinning and coaxial electrospinning. The first approach allowed the production of homogeneous fibers, composed of a blend of PCL and GelMA. The use of the second approach made it possible to produce fibers with a core-shell structure, with a nucleus made from PCL and a shell composed of GelMA. For both approaches, fibers with different proportions of PCL and GelMA were produced. After fabrication, all mats were, subjected to a photocrosslinking process by irradiation with UV light, in order to achieve the chemical photocrosslinking of the GelMA present in the fibers The different developed polymeric membranes were characterized regarding their chemical, morphological and biological properties.The SEM analysis revealed that photoscrosslinked fibers produced by blending electrospinning showed signs of degradation, especially in the fibers with the highest amount of GelMA. On the other hand, the photocrosslinking process didn´t affect the surface morphology of the coaxial fibers. The FTIR analysis confirmed the presence of the two polymers in fibers chemical composition. The weight loss study indirectly proved the success of the photocrossliking process, by revealing that the photocrosslinking membranes lost less mass than their uncrosslinked counterparts. The dynamic water contact angles measurements showed that the PCL scaffold exhibited a markedly hydrophobic character, opposite to the composite membranes composed of GelMA, that had a hydrophilic character. Hemocompatibility tests demonstrated that PCL scaffold has a nonthrombogenic surface. All membranes with GelMA presented a thrombogenic nature and the blood clots formation was higher for the coaxial fibers. The determination of hemolytic index showed that none of the produced scaffolds presented a hemolytic character (haemolytic index below 5 %). Finally, the cell viability studies allowed the conclusion that dermal fibroblasts have the ability to proliferate and adhere to the materials when in contact with the synthesized membranes.In the light of the obtained results, it may be concluded that the synthesized scaffolds present promising features for applications in vascular tissue engineering.