Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/93930
Title: Bone tissue engineering using smart electroactive biomaterials
Other Titles: Engenharia de Tecido Ósseo usando biomateriais inteligentes e eletroativos
Authors: Silva, Cláudia Sofia Almeida e
Orientador: Fernandes, Margarida
Cordeiro, Rosemeyre Amaral
Keywords: Engenharia de tecido ósseo; Fluoreto de polivinilideno; Nanopartículas de Ferrite de Cobalto; Estímulos magnéticos e mecânicos; Efeito magnetoelétrico e mecanoelétricos/piezoelétricos; Bone tissue engineering; Poly (vinylidene fluoride); Cobalt ferrites nanoparticles; Magnetic and mechanical Stimulus; Magnetoelectric and mechanoelectric/piezoelectric effect
Issue Date: 24-Nov-2020
Serial title, monograph or event: Bone tissue engineering using smart electroactive biomaterials
Place of publication or event: Universidade do Minho - Escola de Física
Abstract: A incidência de doenças ósseas está a aumentar em todo o mundo, portanto, novas estratégias de reparação óssea precisam de ser criadas. A estratégia mais usada para regeneração celular é a estimulação bioquímica, enquanto que a estimulação física, tal como magnética, mecânica ou elétrica, é um campo promissor, porém pouco investigado. Este projeto de tese consiste no desenvolvimento de scaffolds 3D e 2D magneto- e mecânico-ativos, com diferentes tamanhos de poros, onde num microambiente biomimético dinâmico, os osteoblastos possam proliferar. Este microambiente físico é obtido através da combinação de scaffolds, que se assemelham ao tecido ósseo, com estímulos físicos fornecidos pelos bioreatores mecânico e magnético nos scaffolds 3D e 2D. Os scaffolds magnetoelétricos foram obtidos através da cristalização do polímero piezoelétrico, fluoreto de polivinilideno (PVDF) com as nanopartículas magnetoestritivas de CoFe2O4 enquanto que, os mecanoeléctricos/piezoelétricos foram obtidos através da cristalização apenas do PVDF. A porosidade, com um diâmetro de aproximadamente 30 μm, foi induzida submetendo os scaffolds à temperatura ambiente (25 ºC), o que resultou numa fase β do PVDF mais eletroativa enquanto que, os materiais não porosos foram obtidos a 210 ºC, resultando na fase α do PVDF. Os scaffolds 3D apresentam uma maior porosidade, independentemente da temperatura de processamento, devido à presença de estruturas de nylon, durante o processamento, com um diâmetro de fibra de 80 μm que foram degradadas do scaffold posteriormente e que resultaram em poros de 80 μm interconectados e que formaram a estrutura 3D do scaffold. Todos os materiais apresentam uma viabilidade celular de, aproximadamente, 100%, considerados não tóxicos para o corpo humano. A taxa de proliferação das células osteoblásticas MC3T3-E1 sobre os materiais revelou que os estímulos promoveram uma melhor adesão e proliferação, nomeadamente: i) quando o estímulo é aplicado nos scaffolds 2D porosos, melhorando em 40% a taxa de proliferação quando comparada com o mesmo material em condições estáticas e ii) quando o estímulo magnético é aplicado nos scaffolds 3D porosos, a taxa de proliferação é melhorada em 70%, quando comparada com o mesmo material em condições estáticas. Estes resultados comprovam que os efeitos piezoelétrico ou magnetoelétrico locais, respetivamente, podem ocorrer nestes scaffolds inteligentes, melhorando a proliferação celular, o que poderia ser utilizado em estratégias mais eficientes para aplicações de engenharia de tecido ósseo.
The incidence of bone disorders worldwide is increasing and new and more effective strategies for bone repair need to be developed. The most common strategy used for cell regeneration is the biochemical stimulation while physical stimulation using magnetic, mechanical, and electrical cues is a promising, however, under-investigated field. This thesis project consists in the development of magneto- and mechanically-active scaffolds in the form of 2D and 3D scaffolds with different porosity, able to recapitulate a physically-active biomimetic microenvironment where the osteoblasts can proliferate. This physical-active microenvironment is achieved by the combination of the bone mimicking structure of the scaffolds, together with the physical stimuli provided by a mechanical or magnetic custom-made bioreactor on the smart mechanoelectric or magnetoelectric, 2D and 3D scaffolds. The magnetoelectric scaffolds were obtained through the crystallization of the piezoelectric polymer, poly (vinylidene fluoride) (PVDF) with magnetostrictive CoFe2O4 nanoparticles, while the mechanoelectric/piezoelectric were obtained by the crystallization of PVDF. The porosity with approximately 30 μm diameter was further induced by subjecting them to room temperature (25 ºC), which also resulted in a higher electroactive β-phase of PVDF, while porous-free material was mainly obtained after melting at 210 ºC, resulting in a α-phase PVDF. The 3D scaffolds are characterized by a higher porosity, independently from the processing temperature due to the presence of nylon templates structures with a fiber diameter of 80 μm that once degraded from the scaffold resulted in interconnected pores of 80 μm and a 3D structure of the scaffold. All materials exhibited cell viability of around 100%, being considered non-toxic to the human body. The proliferation rate of MC3T3-E1 osteoblastic cells over the materials revealed that the stimuli promoted an improved adhesion and proliferation namely: i) when the mechanical stimuli was applied on porous 2D scaffolds, improving in 40 % the proliferation rate when compared to the same material in static conditions and ii) when the magnetic stimuli was applied on 3D porous scaffold, improving in 70 % the proliferation rate when compared to the same material in static conditions. These results prove that local piezoelectric or magnetoelectrical effect, respectively, may occur in these smart scaffolds, allowing improving cell proliferation, which could be further translated in more efficient strategies for bone tissue engineering applications.
Description: Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/93930
Rights: embargoedAccess
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