Advanced engineering strategies for bioprinting of patient-specific cartilage tissues

Abstract

Organ shortage and transplantation needs have led to congestion in healthcare systems resulting in a huge socioeconomic impact. Tissue Engineering has been revolutionizing the engineering of functional tissues, making them great alternatives to achieve a better, faster and effective worldwide patient care. Fibrocartilage is an avascular and aneural tissue characterized by the reduced number of cells and can be found in different tissues, such as intervertebral disc (IVD) and meniscus. These tissues own poor regenerative properties where a massive number of individuals have been affected by their degeneration. The current available treatments have shown poor clinical outcomes and none of them can be consensually designated as the “gold” standard treatment. Tissue engineers have been trying to overcome all the current challenges by developing novel approaches where different biomaterials have been explored to achieve a suitable implant (Chap. I and II). However, the pursuit for the “perfect” biomimetic implant is still a big challenge. Therefore, the combination of high-resolution imaging techniques (magnetic resonance imaging and micro-computed tomography) with 3D printing can be a powerful tool to closely mimic the fibrocartilaginous native tissue. This approach can provide reproducibility of the produced scaffolds and allows the production of patient-specific implants, helping to improve patient recovery time and biofunctionality reestablishment (Chap. III). The concept of patientspecificity is explored in this thesis using natural-based materials, where silk fibroin (SF) plays the central role due to its high processing versatility and remarkable mechanical properties. In the first work, indirect printed patient-specific hierarchical scaffolds were produced combining SF with ionicdoped β-tricalcium phosphates (Chap. V). Furthermore, using a 3D printing extrusion-based technology, an innovative SF-based bioink was developed (Chap. VI). Using the previously developed horseradish peroxidase-mediated crosslinking system, 3D patient-specific memory-shape implants were produced (Chap. VII). As third work, a step forward in terms of mimicking the IVD native tissue was given, where the previously developed SF bioink was combined with elastin (Chap. VIII). Finally, an extrusion-based 3D printing hybrid system comprising a gellan gum/fibrinogen cell-laden bioink and a SF methacrylated bioink was developed to produce cell-laden patient-specific implants (Chap. IX). In summary, the proposed novel 3D printing approaches revealed to be promising alternatives for the production of patient-specific implants for fibrocartilage regeneration.

A escassez de órgãos e a necessidade de transplantação levaram ao congestionamento dos sistemas de saúde, resultando num enorme impacto socioeconómico. Engenharia de Tecidos tem revolucionado a fabricação de tecidos, tornando-se uma ótima alternativa para criar um melhor atendimento ao paciente. Fiibrocartilagem é um tecido avascular e aneural caracterizado pelo reduzido numero de células e pode ser encontrado em diferentes tecidos, como o disco intervertebral (DIV) e o menisco. Estes tecidos possuem fracas propriedades regenerativas, contribuindo para um elevado número de indivíduos afetado pela sua degeneração. Os tratamentos atualmente disponíveis revelam resultados inadequados e nenhum é consensualmente designado como o tratamento padrão. Engenheiros têm tentado superar os desafios encontrados, utilizando diferentes biomateriais para desenvolver novas estratégias para produzir implantes adequados (Cap. I e II). No entanto, a procura por um implante biomimético “perfeito” permanece um grande desafio. A combinação de técnicas de imagem de alta resolução (ressonância magnética e tomografia micro-computadorizada) com a impressão 3D pode ser uma ferramenta poderosa para mimetizar o tecido fibrocartilaginoso. Esta abordagem promove a produção de implantes reprodutiveis e específicos para cada paciente, ajudando a melhorar o tempo de recuperação e o restabelecimento da biofuncionalidade do tecido (Cap. III). O conceito de implantes específicos para cada paciente é explorado nesta tese usando materiais de origem natural, onde a fibroína de seda (SF) desempenha um papel central devido à sua elevada versatilidade de processamento e notáveis propriedades mecânicas. No primeiro trabalho, foram produzidos implantes hierárquicos específicos para cada paciente, impressos indiretamente, combinando SF com fosfatos de β-tricálcio dopados com iões (Cap. V). Para além disso, usando uma tecnologia de impressão 3D, desenvolveu-se uma “bioink” de SF usando um processamento rápido (Cap. VI). Utilizando um sistema de reticulao com base na enzima peroxidase, foram produzidos implantes 3D específicos para cada paciente (Cap. VII). No terceiro trabalho, foi feita uma melhoria em termos de mimetização do DIV cojungando elastina com a “bioink” de SF (Cap. VIII). Finalmente, foi desenvolvido um sistema híbrido de impressão 3D baseado em extrusão usando uma “bioink” de goma gelana/fibrinogénio com células encapsuladas e uma “bioink” de SF metacrilada (Cap. IX). Em resumo, estas novas abordagens de impressão 3D revelaram ser alternativas promissoras para a produção de implantes específicos para cada paciente visando a regeneração de fibrocartilagem.