Development of substrates for reconstructed human dermis based on polyhydroxyalkanoates (PHAs) and FucoPol

Abstract

Skin tissue engineering represents an important tool in various fields such as cosmetic testing and regenerative medicine. The possibility of reproducing in vitro the fundamental properties of in vivo skin introduces new opportunities for creating knowledge. One of the techniques employed is the production of scaffolds to harbor cells, allowing for their proliferation and differentiation into functional tissues. These scaffolds must have certain characteristics, such as biocompatibility, biodegradability, appropriate physico-chemical and mechanical properties, ease of production and cost-effectiveness, all dependent on the material chosen. Thus, polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a potential scaffold material due to all of their relevant characteristics for biomedical applications. Also, the exopolysaccharide FucoPol can be incorporated with PHA as a blend or coating, possibly introducing bioactivity to the scaffolds. Therefore, the aim of this work was the production of scaffolds for reconstruction of human dermis, through the emulsion templating method, resulting in porous constructs that were tested with human dermal fibroblasts (HDFn). The scaffolds obtained in this work were based on P(HBHVHHx), a PHA composed of 51 wt% 3-hydroxybutyrate, 18 wt% 3-hydroxyvalerate and 31 wt% 3-hydroxyhexanoate, and had a porous structure with some interconnected pores. The scaffolds produced through emulsion with water had mechanical, thermal and physical properties comparable with the scaffolds produced through emulsion with FucoPol solution, both of them suitable for skin tissue engineering. These scaffolds were tested with HDFn to assess their bioactivity. In both the cells were able to adhere, proliferate and differentiate, showing possible extracellular matrix (ECM) deposition. The eight-day assay revealed increased cellular growth and organized ECM deposition in the scaffolds with FucoPol compared to the ones without. The fourteen-day assay confirmed pore geometry as the limiting factor for the full invasion of the scaffolds. This work demonstrated the potential of naturally derived P(HBHVHHx)/FucoPol scaffolds for the reconstruction of human dermis.

A engenharia de tecidos da pele representa uma ferramenta importante em várias áreas, como a cosmética e a medicina regenerativa. A possibilidade de reproduzir in vitro as propriedades fundamentais da pele in vivo, introduz oportunidades para criar conhecimento. Uma das técnicas aplicada é o desenvolvimento de scaffolds para cultura celular, permitindo a sua proliferação e diferenciação em tecidos funcionais. Estes scaffolds devem possuir certas características, tais como biocompatibilidade, biodegradibilidade, propriedades físico-químicas e mecânicas apropriadas, facilidade de produção e custo-eficácia, todas dependentes do material escolhido. Assim, os polihidroxialcanoatos (PHAs) representam um potencial material para este efeito, devido a todas as suas características relevantes para aplicações biomédicas. Adicionalmente, o exopolissacárido FucoPol pode ser incorporado como uma mistura ou revestimento do scaffold de PHA, possivelmente introduzindo bioatividade. O objetivo deste trabalho foi produzir scaffolds para reconstrução da derme humana, através da técnica de emulsão, resultando em estruturas porosas que foram testadas in vitro com fibroblastos humanos (HDFn). Os scaffolds de PHA produzidos, com composição monomérica 51 wt% 3-hidroxibutirato, 18 wt% 3-hidroxivalerato e 31 wt% 3-hidroxihexanoato, resultaram numa estrutura porosa com alguns poros interconectados. A emulsão com água resultou em scaffolds com propriedades mecânicas, térmicas e físicas comparáveis aos obtidos através de emulsão com solução aquosa de FucoPol, sendo ambos adequados para a aplicação pretendida. Estes scaffolds foram testados com HDFn para avaliar a bioactividade. Em ambos as células conseguiram aderir, proliferar e diferenciar, com possível deposição de matriz extracelular (ECM). O ensaio de oito dias revelou um aumento no crescimento celular e deposição organizada de ECM nos scaffolds com FucoPol em detrimento dos scaffolds sem FucoPol. O ensaio de catorze dias confirmou a geometria dos poros como sendo o fator limitante para a invasão completa dos scaffolds. Este trabalho demonstrou o potencial de scaffolds P(HBHVHHx)/FucoPol para a reconstrução de derme humana.