Micro/nano-structured hydrogels based on platelet lysate for tissue engineering and regeneration

Abstract

Native tissues are represented by a complex collection of bidirectional interactions between cells and the microenvironment in which they are compartmentalized. Such dynamic reciprocal communications are one of the main modulators of cell responses and extracellular matrix (ECM) remodelling, playing a central role in tissue development, hemostasis, and regeneration. Tissue engineering strategies have been attempting to recreate the ECM microarchitecture, viscoelastic behavior, and biochemical cues by designing biomaterials with modular properties to guide cell responses towards regeneration. However, the translation of engineered tissue substitutes to clinics still anticipates new developments in ECM heterogeneity biomimicry as well as replacement of animal origin products in cell culture media. Inspired by the mechanisms that promote tissue healing, this thesis proposes the use of intrinsically bioactive materials based on platelet lysate (PL), as a native source of biologically-active and structural proteins (e.g., fibrinogen), combined with cellulose nanocrystals (CNC) or hyaluronic acid (HA). Specifically, we investigate how to improve PL structural integrity, mechanical properties, and biomolecules profile release while preserving proteins biofunctionality. We demonstrate that CNC incorporation modulates microstructure, mechanical properties and biochemical environment of injectable systems (Chapter 3), hemostatic cryogels (Chapter 4), and advanced bioinks (Chapter 6) to guide cell responses under xeno-free cell culture conditions. Moreover, the modulation of CNC sulfation degree leads to defined nanoparticle PL-derived protein coronas that can trigger different cell signaling events (Chapter 5). Finally, we produce jammed microgels inks that tailor PL properties and greatly improve HA bioactivity (Chapter 7). In summary, the spatiotemporal presentation of PL bioactive proteins combined with ECM mimetic fibrillar matrices, displaying key cell instructive cues, results in a range of unique human-based biomaterials that can find multiple applications in regenerative medicine.

Os tecidos humanos podem ser representados por um conjunto complexo de interações bidirecionais entre as células e o microambiente que as rodeia. Estas comunicações dinâmicas e recíprocas atuam como moduladores da resposta celular e da remodelação da matriz extracelular (MEC), desempenhando um papel crucial no desenvolvimento, hemóstase e regeneração dos tecidos. A engenharia de tecidos procura mimetizar a estrutura, o comportamento viscoelástico e bioquímico da MEC ao desenvolver biomateriais com propriedades que possam ser ajustadas e assim controlar a resposta celular no sentido de promover a regeneração. No entanto, a sua translação clínica ainda antecipa novos desenvolvimentos na recriação da heterogeneidade da MEC, bem como na substituição de produtos de origem animal em cultura celular. Ao inspirar-se nos mecanismos de reparação dos tecidos, esta tese propõe o uso de materiais com propriedades biológicas à base de lisado de plaquetas (LP), como uma fonte natural de proteínas bioativas e estruturais (e.g., fibrinogénio), em combinação com nanocristais de celulose (NCC) ou ácido hialurónico (AH). Em particular, explora como melhorar a integridade estrutural, as propriedades mecânicas e o perfil da libertação do PL, enquanto a sua função biológica é mantida. Foi demonstrado que a incorporação de NCC regula a microestrutura, propriedades mecânicas e bioquímicas dos sistemas injetáveis (Capítulo 3), criogéis hemostáticos (Capítulo 4) e ‘bioinks’ (Capítulo 6) para direcionar a resposta celular sem suplementos xenogénicos. A modulação dos graus de sulfatação dos NCN determina as interações entre as proteínas do PL e os NCN, o que desencadeia diferentes tipos de sinalização celular (Capítulo 5). Por último, nós desenvolvemos ‘inks’ de microgéis que gerem as características do PL e melhoram significativamente a bioatividade do AH (Capítulo 7). Em suma, a libertação espácio-temporal das proteínas do PL em conjunto com a sua matriz fibrilar semelhante à MEC, que contém fatores cruciais para as funções celulares, resulta em biomateriais únicos á base de PL, com inúmeras aplicações em medicina regenerativa.