Tese de Doutorado

Lesões teciduais complexas geralmente são acompanhadas por alterações na composição fisiológica, expressão gênica, arquitetura, propriedades mecânicas e físico-químicas do tecido que impedem a sua regeneração espontânea. Estratégias que usam scaffolds poliméricos com uma composição e morfologia semelhante à matriz extracelular podem modular o ambiente extracelular de forma pró-regenerativa, e apresentam-se como uma rota promissora para superar as limitações das terapias atuais. Em particular, há grande interesse em utilizar scaffolds poliméricos porosos e anisotrópicos e scaffolds bioimpressos para emular a arquitetura natural do tecido. Também há um interesse em utilizar scaffolds poliméricos para fabricar um sistema de entrega de genes mediada por scaffolds para regenerar tecidos com recuperação natural limitada, como lesões no sistema nervoso central e periférico. A carboximetilquitosana (CMCS) e o alginato são biomateriais interessantes para scaffolds devido à sua biocompatibilidade e semelhanças químicas com a matriz extracelular. Propõe-se aqui utilizar uma mistura de CMCS/alginato para fabricar um scaffold anisotrópico e poroso por liofilização e como uma biotinta para impressão 3D de tecidos neurais. A CMCS foi sintetizada em duas condições diferentes, gerando N,O-CMCS e O-CMCS. Esses polímeros foram misturados em diferentes proporções com alginato e scaffolds porosos anisotrópicos foram obtidos congelando a solução polimérica sob um gradiente de temperatura e subsequente liofilização. Os scaffolds foram então caracterizados quanto à composição, morfologia de superfície e volume, e grau de inchaço e degradação in vitro. Para o estudo de bioimpressão, CMCS e alginato foram misturados com fibrina e células neuroprogenitoras para criar tecidos neurais por impressão 3D por extrusão. Em ambos os estudos, a formulação de CMCS, bem como a proporção de polímero, impactaram a estabilidade físico-química dos scaffolds, com quantidades iguais de N,O-CMCS e alginato levando a scaffolds com melhor intumescimento e citocompatibilidade com céulas do tecido neural. Portanto, a presente Tese apresenta a fabricação e caracterização de scaffolds e biotintas de N,O-CMCS/alginato e O-CMCS/alginato para regeneração de tecido neural.

Complex tissue lesions are usually accompanied by changes in the tissues physiological composition, gene expression, architecture, mechanical and physicochemical properties limiting its spontaneous regeneration. Strategies that use polymeric scaffolds with compositions similar to the extracellular matrix for cellular support and organization can modulate extracellular environment and present themselves as a promising route to overcome the limitations in current therapies. There is great interest in utilizing porous, anisotropic polymeric scaffolds and 3D bioprinted scaffolds to emulate the tissues natural architecture. There is also an interest in combining said scaffolds with therapeutic nucleic acids to a scaffold-mediated gene delivery approach for regenerating tissues with limited natural recovery, such as lesions in the central and peripheral nervous system. Carboxymethyl chitosan (CMCS) and alginate are interesting biomaterials for scaffolds due to their biocompability and chemical similarities to the extracellular matrix. It was proposed here to use a CMCS/alginate blend to fabricate an anisotropic and porous scaffold by freeze-drying, and as a bioink for 3D printing neural tissues. Carboxymethyl chitosan was synthesized in two different conditions, generating N,O-CMCS and O-CMCS. These polymers were mixed in different ratios with alginate, and anisotropic porous scaffolds were obtained by freezing the polymeric solution under a temperature gradient and subsequent freeze-drying. Scaffolds were then characterized regarding their composition, surface and bulk morphology, and in vitro swelling degree and degradation. For the 3D bioprinted studies, CMCS and alginate were mixed with Fibrin and neurprogenitor cells to create neural tissues by 3D extrusion printing. CMCS formulation as well as polymer ratio impacted the physicochemical stability of the scaffolds, with equal amounts of N,O-CMCS and alginate leading to scaffolds with optimal swelling and biocompatibility with cell for neural tissue engineering. Therefore, the present Thesis presents the fabrication process and characterization of N,O-CMCS/alginate and O-CMCS/alginate scaffolds and bioinks designed for neural tissue regeneration.