Bone tissue engineering has gained a high relevance in the past few years
due to the potential to generate functional tissue. In bone tissue regeneration,
there are several options that can be adopted, being the autologous bone
replacement the preferential clinical procedure. However, the use of autologous
materials has a drawback that consists of the limited quantity available in the
body. As alternatives, significant efforts have been dedicated to developing
synthetic materials for the incorporation in the patients to restore the form and
function of the injured bone.
This work focus on the development of biomaterials for bone regeneration,
which must possess relevant specific biological characteristics to be incorporated
into the human body. They must mimic the function and structure of the bone
extracellular matrix (ECM), in order to provide a three-dimensional (3D)
environment capable of improving cellular adhesion, proliferation and
differentiation, as well as presenting adequate biophysical and biochemical
characteristics to induce and potentiate the bone tissue regeneration. Currently,
biomaterials obtained from natural sources are promising options for application
in tissue engineering due to their good biological performance.
In this work, it was reported for the first time the self-assembly of graphene
oxide (GO) nanosheets on the natural spongin skeleton by the layer-by layer
(LbL) method. These improved mechanical and biological properties of the MS
make it a very relevant candidate to explore as a template for the development
of new biomimetic scaffolds with appropriate structural and biochemical cues for
bone cells. Firstly, this work was dedicated to the MS purification regarding the
removal of some anatomic constituents or contaminants. The chemical
composition, structure and mechanical properties of MS were accessed, by
FTIR, SEM and mechanical compression tests. The preparation of the
bionanocomposites was performed by exploring the self-assembly of GO on the
surface of MS using different positive polyelectrolytes (PDDA and PEI). The
obtained results showed that the multilayer deposition PEI/GO gives rise to
highly efficient surface functionalization of MS. These hybrids materials showed
a high mechanical and thermal stability, which allows the preparation of two sets
of samples, with reduced(rGO) and non-reduced GO, for the development of
biological studies. The in vitro studies performed with osteoblasts under dynamic
conditions revealed that the bionanocomposites prepared with GO showed an
improved performance in terms of cell viability and mineralization. These results
can be mainly attributed to the fact that GO presents more oxygen functional
groups in its composition than the samples with rGO. These bionanocomposites
were able to promote cell adhesion and proliferation, and more importantly
guaranty their structural integrity of during the dynamic test.A engenharia de tecido ósseo ganhou grande relevância nos últimos anos
devido ao potencial de gerar tecido funcional. Na regeneração do tecido ósseo,
são várias as opções que podem ser adotadas, sendo a substituição óssea
autóloga o procedimento clínico preferencial. No entanto, a limitada quantidade
disponível de materiais autólogos no corpo, leva a que esta opção seja pouco
utilizada. Como alternativas, tem havido esforços significativos no
desenvolvimento de materiais sintéticos para incorporação nos pacientes, de
modo a restaurar a forma e função do osso lesado.
O foco deste trabalho foi o desenvolvimento de biomateriais para regeneração
óssea, os quais devem possuir características biológicas específicas relevantes
para que sejam incorporados no corpo humano. Estes devem mimetizar a
estrutura e função da matriz extracelular (ECM) do osso, a fim de fornecer um
ambiente tridimensional (3D) capaz de melhorar a adesão, proliferação e
diferenciação celular, assim como possuir características biofísicas e
bioquímicas adequadas para induzir e potencializar a regeneração do tecido
ósseo. Atualmente, os biomateriais obtidos de fontes naturais são opções
promissoras para aplicação em engenharia de tecidos devido ao seu bom
desempenho biológico.
Neste trabalho foi realizado pela primeira vez o self-assembly de óxido de
grafeno (GO) numa matriz de espongina natural (MS) pelo método camada a
camada (do inglês layer-by-layer (LbL)). As propriedades mecânicas e
biológicas resultantes da modificação da MS tornam-na uma candidata muito
relevante para explorar como um modelo no desenvolvimento de novos suportes
biomiméticos com características estruturais e bioquímicas adequadas para
células ósseas. Inicialmente, este trabalho foi dedicado à purificação da MS no
que diz respeito à remoção de alguns constituintes anatómicos ou
contaminantes. A composição química, estrutura e propriedades mecânicas da
MS foram avaliadas por meio de testes de FTIR, SEM e compressão mecânica.
A preparação dos bionanocompósitos foi realizada analisando o self-assembly
do GO na superfície da MS utilizando diferentes polieletrólitos positivos (PDDA
e PEI). Os resultados obtidos mostraram que a deposição de multicamadas GO
/ PEI dá origem a uma funcionalização superficial altamente eficiente da MS.
Estes materiais híbridos apresentaram elevada estabilidade mecânica e térmica,
o que permite a preparação de dois conjuntos de amostras com GO reduzido
(rGO) e não reduzido, para o desenvolvimento de estudos biológicos. Os
estudos in vitro realizados com osteoblastos em condições dinâmicas revelaram
que os bionanocompósitos preparados com GO apresentaram melhor
desempenho em termos de viabilidade e mineralização celular. Esses
resultados podem ser atribuídos principalmente ao fato de o GO apresentar mais
grupos funcionais contendo oxigénio na sua composição do que o rGO. Estes
bionanocompósitos foram capazes de promover a adesão e proliferação celular
e, mais importante, garantir a sua integridade estrutural durante o teste
dinâmico.Mestrado em Materiais e Dispositivos Biomédico
