Nanocompósitos hidrogeles biopoliméricos con óxido de grafeno para impresión 3D de andamios para ingeniería de tejido cartilaginoso

Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención en Ciencia de los MaterialesEnfermedades asociadas a la degeneración del tejido cartilaginoso representan un elevado costo en la calidad de vida de quienes la padecen, produciendo dolor y discapacidad motora, además de un considerable gasto público. La utilización de células madre mesenquimales (MSCs) bajo el concepto de ingeniería de tejidos y medicina regenerativa (ITMR) es una atractiva opción de tratamiento de lesiones del cartílago, ya que permitiría solucionar los problemas asociados a la limitada capacidad auto-regenerativa de este tejido. Andamios basados en hidrogeles bioconjugados con polímeros naturales son atractivos para ITMR debido a que estos imitan las características del tejido humano blando y semirrígido. Los hidrogeles bioconjugados exhiben mayor biocompatibilidad y pueden estimular distintos procesos biológicos como proliferación y diferenciación celular, así como la secreción de la matriz extracelular (ECM) que formará el nuevo tejido. Unas de las técnicas de fabricación más innovadoras son la impresión 3D de andamios y la bioimpresión 3D de constructos cargados con células, para aplicaciones biomédicas en un concepto de medicina personalizada. A pesar de las propiedades únicas de este tipo de biomaterial para aplicaciones en ITMR, los hidrogeles presentan problemas de procesabilidad que limitan su uso en bio-/impresión 3D, motivando la incorporación de nanopartículas que mejoran estas limitantes y que además puedan incrementar la bioactividad. El objetivo de este trabajo es desarrollar nanocompósitos hidrogeles biomiméticos de la ECM de cartílago para la fabricación de andamios y constructos mediante impresión/bioimpresión 3D, con bioactividad y procesabilidad mejorada. La base de este nuevo biomaterial es alginato metacrilado bioconjugado con gelatina y sulfato de condroitina metacrilados, mediante fotoentrecruzamiento de los biopolímeros, el cual es reforzado con óxido de grafeno (GO) para mejorar la calidad de impresión y bioactividad del nanocompósito. Los resultados expuestos muestran que la incorporación de GO permite modular las propiedades tixotrópicas de las tintas de hidrogel, mejorando considerablemente la fidelidad de forma y resolución de los andamios 3D impresos. Además, las tintas con la nanopartícula producen hebras anisotrópicas después de ser impresas por efecto direccionador de las propiedades líquido-cristalinas del GO. Los ensayos in vitro con MSCs humanas develan que los andamios bioconjugados presentan mayor proliferación celular que en alginato puro, donde los nanocompósitos exhiben los valores más altos a largo plazo y la viabilidad de las células adheridas a los andamios es cerca del 100 %. Notablemente, las hebras anisotrópicas de los andamios nanocompósitos fueron capaces de guiar el crecimiento celular en dirección del eje mayor de la hebra impresa. Los nanocompósitos hidrogeles en combinación con MSCs permitieron además obtener constructos mediante bioimpresión 3D con alta fidelidad de forma y sobresaliente viabilidad celular a corto y largo plazo. La base de alginato bioconjugado es capaz de inducir diferenciación condrogénica en MSCs sin utilizar factores exógenos pro-condrogénesis, lo cual es potenciado al adicionar GO. La elevada citocompatibilidad y efecto condroinductivo en MSCs humanas de los andamios y constructos, sumado a la calidad de impresión/bioimpresión 3D y obtención de estructuras anisotrópicas, convierten estos nanocompósitos hidrogeles candidatos prometedores para aplicaciones en ITMR del cartílago a través de biofabricación

Chondroinductive Alginate-Based Hydrogels Having Graphene Oxide for 3D Printed Scaffold Fabrication

Scaffolds based on bioconjugated hydrogels are attractive for tissue engineering because they can partly mimic human tissue characteristics. For example, they can further increase their bioactivity with cells. However, most of the hydrogels present problems related to their processability, consequently limiting their use in 3D printing to produce tailor-made scaffolds. The goal of this work is to develop bioconjugated hydrogel nanocomposite inks for 3D printed scaffold fabrication through a micro-extrusion process having improved both biocompatibility and processability. The hydrogel is based on a photocrosslinkable alginate bioconjugated with both gelatin and chondroitin sulfate in order to mimic the cartilage extracellular matrix, while the nanofiller is based on graphene oxide to enhance the printability and cell proliferation. Our results show that the incorporation of graphene oxide into the hydrogel inks considerably improved the shape fidelity and resolution of 3D printed scaffolds because of a faster viscosity recovery post extrusion of the ink. Moreover, the nanocomposite inks produce anisotropic threads after the 3D printing process because of the templating of the graphene oxide liquid crystal. The in vitro proliferation assay of human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells (hADMSCs) shows that bioconjugated scaffolds present higher cell proliferation than pure alginate, with the nanocomposites presenting the highest values at long times. Live/Dead assay otherwise displays full viability of hADMSCs adhered on the different scaffolds at day 7. Notably, the scaffolds produced with nanocomposite hydrogel inks were able to guide the cell proliferation following the direction of the 3D printed threads. In addition, the bioconjugated alginate hydrogel matrix induced chondrogenic differentiation without exogenous pro-chondrogenesis factors as concluded from immunostaining after 28 days of culture. This high cytocompatibility and chondroinductive effect toward hADMSCs, together with the improved printability and anisotropic structures, makes these nanocomposite hydrogel inks a promising candidate for cartilage tissue engineering based on 3D printing.Comision Nacional de Investigacion Cientifica y Tecnologica (CONICYT) CONICYT FONDECYT 1150130 FONDEQUIP Projects EQM150101 EQM170103 EQM140012 Millennium Science Initiative of the Ministry of Economy, Development and Tourism, grant "Nuclei for Soft Smart Mechanical Metamaterials" CONICYT Beca de Doctorado Nacional 2115003