Innovative self-assembled and microfabricated structures to be used in distinct biomedical applications

Abstract

Advances in self-assembly offer new opportunities in molecular design of biomaterials. A major advantage of these systems is their ability to generate similar fibrillar structures to those found in the natural extracellular matrix (ECM) of tissues and to integrate directly into their structure biomolecular ligands for cell signalling. On the other hand, the integration of self-assembly into existing microtechnologies could offer new possibilities to fabricate hierarchical materials with high levels of precision and reproducibility. Therefore, the overall goal of the work presented in this thesis was to develop novel biomaterial systems (microcapsules and membranes) for encapsulation and culture of cells by exploring self-assembly and microfabrication techniques. Towards this goal, this PhD work investigated the application of xanthan gum, an anionic extracellular polysaccharide produced by the bacterium Xanthomonas campestris, as potential cell encapsulation matrix, as this polysaccharide remains largely unexplored in this regard. In one first attempt, xanthan was carboxymethylated and the microcapsules were generated by simple ionic crosslinking. To generate stable microcapsules by self-assembly, efforts were made to synthesize xanthan derivatives by conjugation with hydrophobic molecules (palmitoyl and phospholipid) or by combination with multidomain peptides of opposite charge. A second objective of this PhD work was to produce microcapsules with homogeneous size distribution and micrometer size favorable for mass transfer and easy injects for cell therapy. Different devices (microdroplet generator and microfluidics) and methods (ionic crosslinking, self-assembly) were developed to prepare xanthan-based microcapsules. The microstructure (morphology, molecular organization) and properties (size, membrane thickness, permeability, stability) of the developed microcapsules were investigated in detail. Using a new microdroplet generator, microcapsules of ionic crosslinked carboxymethylated xanthan (chapter III) and self-assembled palmitoyl xanthan (chapter IV) were generated with an average diameter of 500 and 576 μm, respectively. The self-assembly of phospholipid-xanthan (chapter V) and native xanthan with a positively charged multidomain peptide (chapter VI) was guided in microfluidic device to obtain stable capsular structures with regular spherical shape and controlled size at the microscale. The results of these studies showed that the properties of the developed microcapsules could be easily controlled by manipulating the concentration of building blocks and assembling conditions. Moreover, capsule forming devices were successful used to guide the formation of capsular structures. Cell encapsulation experiments were also conducted to corroborate the initial hypothesis. ATDC5 cells (a murine chondrocytic cell line) encapsulated into the developed xanthan based microcapsules remained viable and were observed to proliferate for prolonged culture periods (up to 3 weeks) with enhanced metabolic activity. In summary, these studies suggested that xanthan polysaccharide can be an alternative to the current cell encapsulating materials but in vivo studies are necessary to validate this hypothesis. Additionally, the combination of self-assembly with micro-fabrication techniques demonstrated to be an innovative approach for the fabrication of microcapsules in cell-friendly conditions with controlled properties. In a distinct work, molecular self-assembly was combined with soft lithography to fabricate patterned self-supporting membranes in a single-step process (chapter VII). A positively charged multi-domain peptide (with or without the cell-adhesive sequence RGDS) was used to selfassemble with the anionic ECM polymer hyaluronic acid. The assembling conditions were optimized to realize membranes with well-controlled properties, including membrane thickness, bioactive epitope availability, and topographical pattern morphology. The resulting selfassembled membranes exhibited a hierarchical structure of nanofibers and surface microtopographies with various densities of RGDS. Rat bone marrow stem cells were shown to recognize the RGDS sequence and the topographical patterns, varying their morphology depending on the concentration of binding motif or specific physical features that were cultured on. The studies reported in this thesis proved that combining self-assembling materials with microfabrication technologies can be an effective approach to fabricate microcapsules and membranes with increased level of control over their structure, shape, bioactivity and overall performance. The versatility of the combined bottom-up and top-down fabrication processes described here may permit the development of novel hierarchical biomaterials with precise biomolecular and physical properties and the opportunity to better tune them with spatiotemporal control.

Avanços em química supramolecular têm vindo a constituir novas oportunidades na formulação de novos biomateriais. A grande vantagem destes sistemas é a sua capacidade para gerar estruturas fibrilares semelhantes às existentes na matriz extra-celular dos tecidos e a possibilidade de integração na sua estrutura de grupos bioactivos para interacção celular. Por outro lado, a integração destes processos de auto-organização molecular nas micro-tecnologias existentes possibilita o fabrico de materais hierarquicamente organizados com elevados níveis de precisão e reprodutibilidade. Por consequinte, o trabalho apresentado nesta tese teve como objectivo principal desenvolver novos sistemas de biomateriais (microcápsulas e membranas) para encapsulamento e cultura de células através de técnicas de auto-organização molecular e micro-fabricação. Neste doutoramento investigou-se também a aplicação da goma xanthan, um polissacarídeo poli-aniónico produzido pela bacteria Xanthomonas campestris, como potencial matriz para encapsulamento de células. Numa primeira abordagem, o xanthan foi carboximetilado e as microcápsulas geradas por reticulação iónica deste composto. A geração de micro-cápsulas por auto-organização molecular foi conseguida pela síntese de derivados do xanthan pela conjugação de moléculas hidrofóbicas (palmitoil e fosfolípido) através da combinação do xanthan com péptidos com capacidade de auto-organização de carga oposta. Um outro objectivo deste trabalho, consistiu na produção de cápsulas à escala micrométrica com uma distribuição de tamanhos uniforme, favorável a transferências de massa e facilidade de injecção em terapias celulares. Para tal, foram desenvolvidos dispositivos para fabrico de microcápsulas (gerador de microcápsulas e micro-fluidicos) e métodos químicos (reticulação iónica e a auto-organização molecular) para produzir microcápsulas baseadas em xanthan. A micro-estrutura (morfologia, organização molecular) e propriedades (tamanho, espessura da membrana, permeabilidade, estabilidade) das microcápsulas desenvolvidas foram investigadas em detalhe. Microcápsulas feitas de xanthan carboxymetilado reticulado ionicamente (capítulo III) e por auto-organização molecular do palmitoyl xanthan (capítulo IV) foram produzidas através do gerador de micro-cápsulas com diametro cerca de 500 e 576 μm, respectivamente. A auto-organização molecular do fosfolípido-xanthan (capítulo V) e do xanthan nativo com péptidos de carga oposta (capítulo VI) foram conduzidas através de um dispositivo microfluidico para obter estruturas capsulares estáveis com forma esférica regular e tamanho controlado na escala micrométrica. Os resultados destes estudos mostraram que as propriedades das microcápsulas desenvolvidas podem ser facilmente controladas através da manipulação da concentração dos materiais e condições de organização. Além disso, os dispositivos utilizados foram bem sucedidos para guiar a formação de estruturas capsulares. Experiências de encapsulamento de células foram também realizadas para corroborar a hipótese inicial. Células da linha celular ATDC5 foram encapsuladas nas cápsulas de xanthan tendo permanecido viáveis. Adicionalmente, foram observadas a proliferar para longos períodos de cultura (até três semanas) com aumento da actividade metabólica. Em suma, estes estudos sugerem que o polissacárido xanthan pode constituir uma alternativa aos materiais convencionais utilizados em encapsulamento de células. Contudo estudos in vivo serão necessários para validar esta hipótese. A combinação de processos de auto-organização molecular com técnicas de micro-fabricação demonstrou ser um método inovador para a fabricação de microcápsulas em condições celulares favoráveis e com propriedades controladas. Por último, auto-organização molecular foi combinada com processos de fotolitografia para fabricar membranas com padrões topográficos (capítulo VII). Foi utilizado um péptido carregado positivamente (com e sem a sequência peptídica de adesão celular RGDS) para interagir com o polímero aniónico ácido hialurónico. As condições de organização molecular foram optimizadas para fabricar membranas com propriedades controladas tais como espessura da membrana, concentração de sequência bioactiva e morfologia do padrão topográfico. As membranas obtidas apresentaram uma estrutura altamente organizada constituida por nano-fibras contendo micro-topografias na superfíce com diferentes densidades de RGDS. Células estaminais da medula óssea de rato reconheceram a sequência RGDS e os padrões topográficas, variando a sua morfologia consoante a concentração de RGDS e morfologia do padrão. Os estudos apresentados nesta tese demonstraram que a combinação de auto-organização molecular com tecnologias de microfabricação constitui uma estratégia eficaz para fabricar microcápsulas e membranas com maiores níveis de controlo sobre a sua estrutura, forma, bioatividade e desempenho.