Tese de doutoramento em Engenharia de Tecidos, Medicina Regenerativa e Células EstaminaisThe intricate composition and architecture of living tissues determine their functionality, resulting from the complex interplay between cells and the extracellular matrix (ECM). Properly addressing these characteristics is crucial for the development of 3D in vitro advanced platforms that have the potential to enhance the efficacy of knowledge-based therapy development, while significantly reducing the need for animal experimentation. This Thesis aimed at addressing specific research challenges for the development of effective tendon-mimetic constructs for tissue regeneration and disease modeling. These challenges include i) recreating the complex hierarchical and fibrillar architecture of tendon extracellular matrix; ii) the ability to remotely actuate mechanotransduction mechanisms in tissue engineered construct; iii) delivering biochemical cues involved in tendon tissue development and healing and iv) incorporating multiple cell types to replicate the complex biological processes that occur in native tissue. To address these challenges, we used state-of-the-art technologies such as 3D bioprinting and organ-on-chip technology and biomaterials, in particular nanoparticles, with unique (bio) functional properties. Building on these concepts, In the first experimental chapter (Chapter 3), cellulose nanocrystals (CNCs) surface charge chemistry was exploited to induce their ion-mediated self-assembly to recreate the unique biophysical cues provided by native tissue fibrillar Extracellular Matrix (ECMs) while allowing the design of embedded bioengineered constructs with arbitrary geometries. This system was further explored in Chapter 4, by combining magnetically- and matrix assisted 3D bioprinting for creating anisotropic microstructures. The topographical and biochemical cues of this biomimetic microstructure were combined with its magneto-mechanical stimulation during in vitro maturation, to boost stem cells mechanosignaling and to promote their commitment toward tenogenic lineage. Resourcing zinc-doped iron oxide magnetic nanoparticles incorporated into electrospun fibers (sMRF) specifically designed for this purpose. In Chapter 5 sMRF served as inspiration for developing a compartmentalized tendon-on-chip (3D-TenoC) model to study crosstalk and biochemical signaling in tendon physiology and pathophysiology. This 3D-TenoC model faithfully recreated essential characteristics of human tendons, including anisotropy and spatiotemporal distribution of cells. Overall, this thesis showcases that by combining specific bionanomaterials and advanced 3D bioprinting technologies for the construction of 3D models with an unprecedented ability to mimic native tendon tissue ECM anisotropy, physical stimulus, and customizable biochemical cues, while accommodating multiple cell types. These strategies have the potential to play a significant role in generating valuable biological data and integrating ongoing advancements in tendon tissue engineering.A intrincada composição e arquitetura dos tecidos vivos determinam sua funcionalidade, resultante
da complexa interação entre as células e a matriz extracelular (ECM). A abordagem adequada dessas
características é crucial para o desenvolvimento de plataformas 3D in vitro avançadas que têm o potencial
de aumentar a eficácia do desenvolvimento de terapias baseadas em conhecimento, contribuído em
simultâneo para reduzir significativamente a necessidade de experimentação animal. Esta Tese focou-se em
desafios de investigação específicos para o desenvolvimento de construções miméticas de tendão eficazes
para regeneração deste tecido e modelação in vitro das suas patologias. Esses desafios incluem i) recriar a
complexa arquitetura fibrilar hierárquica da matriz extracelular do tendão; ii) incorporar a capacidade de
acionar remotamente mecanismos de mecanotransdução nas construções produzidas por engenharia de
tecidos; iii) incorporar sinais bioquímicos envolvidos no desenvolvimento e cicatrização do tecido do tendão;
e iv) incorporar diferentes tipos de células de forma a replicar os processos biológicos complexos que ocorrem
no tecido nativo. Para enfrentar esses desafios, usamos tecnologias de ponta, como bioimpressão 3D e
tecnologia organ-on-chip, e biomateriais, em particular nanopartículas, com (bio)funcionalidades únicas. Com
base nesses conceitos, no primeiro capítulo experimental (Capítulo 3), a química de superfície de nanocristais
de celulose (CNCs) foi explorada para induzir a sua automontagem mediada por iões, permitindo
simultaneamente recriar os sinais biofísicos únicos providenciados pela ECM fibrilar de tecido nativo e o
design de construções de bioengenharia com geometrias arbitrárias. Este sistema foi depois explorado no
Capítulo 4, no qual a bioimpressão 3D assistida por sistemas magnéticos e matriz de suporte foi explorada
para criar microestruturas anisotrópicas. Os sinais topográficos e bioquímicos desta microestrutura
biomimética foram combinados com estimulação magneto-mecânica durante sua a maturação in vitro para
acionar a mecanosinalização de células estaminais e promover seu o seu direcionamento para a linhagem
tenogénica. Recorrendo a nanopartículas magnéticas de óxido de ferro dopadas com zinco incorporadas em
fibras electrofiadas (sMRF) especificamente concebidas para o efeito, no Capítulo 5, as sMRF serviram de
inspiração para o desenvolvimento de um modelo de tendão-em-chip compartimentado (3D-TenoC) para
estudar a comunicação e sinalização bioquímica que ocorre na fisiologia e patofisiologia do tendão. Este 3D TenoC permitiu recriar características essenciais dos tendões humanos, incluindo anisotropia e distribuição
espácio-temporal das suas células. No geral, esta tese demostra como bionanomateriais específicos e
tecnologias de bioimpressão 3D podem ser combinados para contruir modelos 3D com capacidade impar
de recriar a anisotropia da ECM do tendão nativo, providenciar estímulos físico e sinais bioquímicos
personalizáveis, e acomodar simultaneamente vários tipos de células. Estas estratégias demostram potencial
para desempenhar um papel relevante na geração de dados biológicos valiosos assim como para integrarem
avanços em continuo desenvolvimento na engenharia de tecidos de tendão.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - PD/BD/129403/201
