Chemistry vs Topography: Influence on the biotic interface

Abstract

O ambiente biológico no qual as células residem in vivo é altamente organizado da nano à micro e macroescala. Nas últimas décadas, tem vindo a ser demonstrado que as células conseguem sentir e responder ao seu microambiente, especialmente a estímulos físicos e sinais químicos. No que diz respeito aos estímulos físicos, a topografia e rigidez da superfície têm demonstrado influenciar fortemente o comportamento celular. Esta dissertação teve como objetivo principal modificar a topografia de superfície do poli (dimetilsiloxano) (PDMS) através da deposição de filmes finos por pulverização catódica e testar in vitro as superfícies obtidas para concluir acerca do comportamento celular. Filmes finos de poli (tetrafluoroetileno) (PTFE) e poliamida (PA) foram depositados em substratos de PDMS previamente tracionados. Padrões ordenados de rugas foram obtidos a uma escala micrométrica, assim como rugosidade à escala nanométrica. Os filmes criados foram caracterizados química, física e mecanicamente e ensaios mecânicos foram realizados. As rugas permaneceram após tracção cíclica das amostras. Finalmente, as superfícies foram testadas in vitro com células estaminais mesenquimais do cordão umbilical humano (hUC-MSCs). As células foram capazes de aderir, proliferar e diferenciar-se quando cultivadas no PDMS modificado com PTFE e PA. Além disso, foi verificado o alinhamento celular induzido pela topografia enrugada dos filmes. O trabalho desenvolvido neste projeto tem o potencial de ser utilizado em muitas aplicações biomédicas para cultura de células, detecção/screening celular, implantação, engenharia de tecidos, microfluidos e biosensores.

The biological environment in which cells reside in vivo is highly organized from the nano- to the micro- and macroscale. Over the past decades, it has been demonstrated that cells can sense and respond to their microenvironment, especially to physical stimuli and chemical signals. Among the physical cues, surface topography and stiffness have shown to strongly influence cell behavior.This dissertation had the main purpose of modifying the surface topography of poly(dimethylsiloxane) (PDMS) through the deposition of thin films by magnetron sputtering and test in vitro the surfaces obtained to conclude on cellular behavior. Thin films of poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) and polyamide (PA) were deposited onto previously strained PDMS substrates. Ordered wrinkling patterns were obtained at the microscale, as well as nanometric roughness. The films created were chemically, physically and mechanically characterized and mechanical tests were performed. The wrinkles remained after cyclic straining the samples. Finally, the samples were tested in vitro with human umbilical cord mesenchymal stem cells (hUC-MSCs). Cells were able to adhere, proliferate and differentiate into the osteogenic lineage on the PTFE and PA modified PDMS. Furthermore, cell alignment was induced by the films wrinkled topography.The work developed in this project has the potential to be used in many biomedical applications for cell culture, cell detection/screening, implantation, tissue engineering, microfluidics and biosensors.