Electrospun poly(ε-caprolactone) nanofibers for bone regeneration and other biomedical applications

Abstract

Bone tissue is a complex and hierarchical structure with many functions in the body. Although this tissue has the capability for self-generation, large bone defects due to various diseases or fractures may need clinical treatment. However, the current clinical treatments are based on bone grafts and other bone substitutes, which have several limitations. Tissue engineering is a multidisciplinary field that emerged from the need to extinguish these clinical limitations. This vast field of science uses various tools in seeking for effective tissue regeneration. In this context, this work aimed the production of functional materials that mimic the nanostructure of bone tissue and therefore the cellular microenvironment, promoting bone regeneration. In this way, an electrospinning apparatus was mounted and optimized for the production of polycaprolactone nanofibers. Additionally, several electrospinning parameters that influence the morphology of the electrospun nanofibers produced were studied. For application in bone regeneration, the combination of polycaprolactone nanofibers with β-tricalcium phosphate scaffolds, mechanically more resistant, was investigated. Moreover, a preliminary study about the capacity for this system to allow controlled release of biomolecules was conducted through the incorporation of a model protein into the nanofibers. In order to characterize the biological properties of the systems produced, in vitro cytotoxicity assays were performed. These assays revealed that the polycaprolactone nanofibers produced are biocompatible and that the coating of β-tricalcium phosphate scaffolds with these nanofibers improve this biological performance, when compared to ceramic scaffolds without coating. The potentiality of nanofibers herein produced was also evaluated for the modification of microfiltration membranes. These membranes showed a large increase in the plasmid DNA rejection.

O tecido ósseo é uma estrutura complexa com diversas funções no organismo. Apesar deste tecido possuir uma capacidade de auto-regeneração única, defeitos ósseos com uma grande extensão causados por doenças ou fracturas podem necessitar de tratamento em meio hospitalar. No entanto, estes tratamentos são algo limitados, pois baseiam-se em transplantes e em substitutos ósseos compostos por materiais inertes. A engenharia de tecidos é uma área multidisciplinar que emergiu da necessidade de extinguir estas adversidades. Este vasto campo científico utiliza diversas ferramentas na procura de uma regeneração de tecidos mais eficaz. Neste âmbito, este trabalho pretende produzir materiais funcionais que mimetizem a nanoestrutura do tecido ósseo e, portanto, o microambiente celular, favorecendo a regeneração óssea. Com base neste pressuposto, montou-se um sistema de electrospinning e procedeu-se à sua optimização para a produção de nanofibras de policaprolactona. Adicionalmente, diversos parâmetros que influenciam a morfologia das nanofibras produzidas por electrospinning foram estudados. Para aplicação na regeneração óssea, a combinação das nanofibras de policaprolactona com scaffolds de β-tricálcio fosfato, mais resistentes mecanicamente, foi investigada. Adicionalmente, foi realizado um estudo preliminar sobre a capacidade deste sistema permitir a libertação controlada de biomoléculas, através da incorporação de uma proteína modelo nas nanofibras. O perfil citotóxico dos sistemas produzidos foi caracterizado através de ensaios in vitro. Estes estudos revelaram que as nanofibras de policaprolactona produzidas são biocompativeis e que o revestimento dos scaffolds de β-tricálcio fosfato com estas nanofibras melhora as propriedades biológicas em relação aos scaffolds cerâmicos sem revestimento. A potencialidade das nanofibras produzidas foi ainda testada na modificação de membranas de microfiltração. Este estudo demonstrou um aumento na rejeição de DNA plasmídico após o revestimento da membrana com as nanofibras.