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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.82.2020.tde-27022020-161530
Document
Author
Full name
Caroline Faria Bellani
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Branciforti, Marcia Cristina (President)
Fortulan, Carlos Alberto
Rollo, Joao Manuel Domingos de Almeida
Schlatter, Guy
Zavaglia, Cecília Amélia de Carvalho
Title in Portuguese
Biocompósitos eletrofiados e microfabricação 3D em engenharia do tecido ósseo
Keywords in Portuguese
Biocompósitos
Biofabricação
Eletrofiação
Engenharia Tecidual
Osso
Vascularização
Abstract in Portuguese
A regeneração do tecido ósseo ainda é um desafio importante em ortopedia e traumatologia. Apesar da capacidade natural de reparo ósseo, um trauma além do limite crítico (fratura crítica) não pode ser regenerado. A Engenharia de Tecidos é um campo multidisciplinar que aplica os princípios da engenharia e ciências biológicas para o desenvolvimento de substitutos biológicos que restauram, mantêm ou melhoram a função do tecido ou de um órgão como um todo. O objetivo foi desenvolver scaffolds biomiméticos com propriedades osteogênicas e mecânicas aprimoradas para a engenharia de tecidos ósseos; melhorar a vascularização do implante de engenharia de tecido pelo desenvolvimento de um enxerto vascular suturável a ser incorporado em hidrogéis para biofabricação 3D. Membranas biodegradáveis de PCL para regeneração óssea guiada reforçadas com diferentes proporções de nanocompósitos naturais obtidos a partir de nanocristais de celulose foram produzidas. Os resultados mostraram uma melhora nas propriedades mecânicas, no grau de cristalinidade e na temperatura de fusão, de acordo com a proporção de nanocristais de celulose. Como fase bioativa, empregou-se o Biosilicato®: combinado com os nanocristais de celulose, o Biosilicato® melhorou consideravelmente suas propriedades mecânicas. Os osteoblastos foram capazes de proliferar e biomineralizar nas membranas biodegradáveis. Membranas biomiméticas e biodegradáveis, com melhores propriedades mecânicas para regeneração óssea guiada e engenharia de tecido ósseo foram produzidas. A fim de melhorar a vascularização das construções de engenharia de tecido ósseo, foram desenvolvidos novos compósitos GelMA-CNC. Hidrogéis GelMA-CNC incorporados com células endoteliais foram biofabricados e, neles, as células endoteliais foram capazes de se organizar em túbulos. Baseada na estratégia de vascularização rápida, produziu-se um enxerto biomimético suturável de degradação rápida obtido a partir da fusão de membranas eletrofiadas. Um padrão poroso sobre os enxertos suturáveis foi fabricado por microusinagem a laser, com o objetivo de permitir a migração de células endoteliai, permitindo a formação de uma rede de capilares. Os scaffolds elásticos tubulares obtidos são resistentes à sutura, autoclaváveis e não possuem toxicidade in vitro. O padrão poroso criado nos enxertos suturáveis permitiu que células endoteliais fluíssem em direção à cultura 3D dos osteoblastos em GelMA, e estruturas 3D formadas a partir da interação de células endoteliais e osteoblastos foram observadas. Portanto, essa estratégia pode ser empregada para aumentar o tamanho e a sobrevivência dos implantes ósseos biofabricados, acelerando a translação clínica da engenharia do tecido ósseo.
Title in English
Electrospun Biocomposites and 3D Microfabrication for Bone Tissue Engineering.
Keywords in English
Biocomposites
Biofabrication
Bone
Electrospinning
Tissue Engineering
Vascularization
Abstract in English
Bone tissue regeneration is still an important challenge in orthopedics and traumatology. Despite the natural ability of bone repair, a trauma beyond the critical limit (critical fracture) cannot be regenerated. Tissue Engineering is a multidisciplinary field that applies the principles of engineering and biological sciences to the development of biological substitutes that restore, maintain or improve the tissue function or of an organ as a whole. The aim of this work was to develop osteogenic and mechanically improved biomimetic scaffolds for bone tissue engineering; to improve the vascularization of a bone tissue engineered implant by the design and development of a suturable vessel graft embedded in hydrogels for 3D biofabrication. Biodegradable PCL membranes for guided bone regeneration, obtained by electrospinning, reinforced with various ratios of natural nanocomposites obtained from cellulose nanocrystals (CNCs) were produced. Results showed an improvement of mechanical properties, in the degree of crystallinity and in the melting temperature according to the ratio of cellulose nanocrystals. I employed Biosilicate® as bioactive phase into these membranes. The Biosilicate®, combined with the cellulose nanocrystals, considerably improved their mechanical properties. Osteoblasts were able to proliferate and biomineralize in these membranes. Thus, a biomimetic and biodegradable membranes, with osteogenicity and improved mechanical properties for guided bone regeneration and bone tissue engineering were developed. In order to improve the vascularization of bone tissue engineering constructs, new GelMA-CNC composites were developed. Cell-laden GelMACNC hydrogels with endothelial cells were biofabricated. Endothelial cells were able sprout and to organize in tubules. As rapid vascularization strategy, a rapid degrading biomimetic suturable graft obtained from electrospun membranes fusing, in order to allow endothelial cell migration from the vascular graft to the bone-like grafts and, following, new capillary formation, was manufactured. A porous pattern over the suturable grafts was fabricated by laser micromachining. The obtained elastic scaffolds were suturable and supported stress and recoil. The scaffolds are autoclavable and possess no in vitro toxicity. The porous patterned created on the suturable grafts allowed the endothelial cell towards the 3D culture of osteoblasts in GelMA, and 3D structures formed from the interaction of endothelial cells and osteoblasts were observed. Therefore, this strategy can potentially be employed to enhance the size and the survival biofabricated bone implants, accelerating the clinical translation of bone tissue engineering.
 
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Publishing Date
2020-03-16
 
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