Multifunctional and liquified capsules for tissue regeneration

Abstract

Cell encapsulation systems, in which cells and/or biomaterials and molecules are physically isolated from the surrounding environment, are being increasingly applied as multifunctional strategies in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. In the present thesis it is proposed a rather unique combination of functional biomaterials and different cell types for the groundbreaking advance of liquified cell encapsulation systems. The proposed system aims to transfigure the concept of conventional three-dimensional scaffolds, typically associated on the use of porous structures or hydrogels to support cells, by using an alternative and hierarchical methodology. Capsules are composed by different components: (i) a permselective multilayered membrane composed by various polyelectrolytes, namely alginate, chitosan, and poly(L-lysine), and also electrostatically bounded magnetic-nanoparticles which confer magnetic-responsive ability to the system; (ii) poly(L-lactic acid) microparticles surface functionalized by combining plasma treatment with different coating materials; and (iii) different cell types, namely L929, stem and endothelial cells. The membrane wraps the liquefied core of the capsules, ensuring permeability to essential molecules for cell survival, and enhancing direct contact between the encapsulated materials. The microparticles confer cell adhesion sites, and also influence biological processes of the encapsulated cells due to its chemically modified surface. Multilayered and liquified capsules encapsulating microparticles were first validated as successful cell encapsulation systems for tissue regeneration. Different parameters of the production process were optimized, such as the number, type and concentration of multilayers, and the required time de-crosslinker concentration to liquefy the alginate core. Capsules were further successfully proposed as bioencapsulation systems for the regeneration of specific tissues, namely cartilage and bone. Ultimately, the biological outcome of capsules was tested in vivo, demonstrating the biotolerability of the developed system. It is expected that the proposed capsules will have a strong impact and open new prospects in cell encapsulation systems for tissue regeneration.

Sistemas de encapsulamento celular, nos quais células e/ou biomateriais e moléculas estão fisicamente isolados do exterior, estão a ser cada vez mais propostos como estratégias multifuncionais para Engenharia de Tecidos e Medicina Regenerativa. Na presente tese é proposta a combinação de biomateriais funcionais e vários tipos de células para o progresso de sistemas liquefeitos de encapsulamento celular. O sistema proposto pretende transfigurar o conceito convencional de scaffolds tridimensionais, tipicamente associados a estruturas porosas ou hidrogéis para suporte celular, propondo uma metodologia hierárquica. As cápsulas são constituídas por diferentes componentes: (i) uma membrana com permeabilidade seletiva composta por vários polieletrólitos, nomeadamente alginato, quitosano e poli(L-lisina), e ainda nanopartículas magnéticas electrostaticamente acopladas à membrana que conferem ao sistema capacidade de resposta magnética; (ii) micropartículas de poli(L-ácido láctico) com a superfície funcionalizada por tratamento de plasma combinado com diferentes materiais de revestimento; (iii) diferentes tipos de células, nomeadamente L929, estaminais e endoteliais. A membrana envolve o núcleo liquefeito das cápsulas, assegurando a permeabilidade de moléculas essenciais para a viabilidade celular, e ainda maximiza o contacto direto entre os diferentes componentes encapsulados. As micropartículas oferecem locais de adesão celular, e ainda influenciam os processos biológicos das células encapsuladas devido à superfície quimicamente modificada. Cápsulas com multicamadas e liquefeitas com micropartículas encapsuladas foram primeiramente validadas com sucesso como sistemas de encapsulamento celular para regeneração de tecidos. Diferentes parâmetros do processo de produção foram optimizados, tais como o número, tipo e concentração das multicamadas, e o tempo necessário e concentração do des-reticulador para liquefazer o interior de alginato. As cápsulas foram ainda propostas com sucesso como sistemas de bio-encapsulamento para a regeneração de tecidos específicos, nomeadamente cartilagem e osso. Em última análise, a resposta biológica das cápsulas foi testada in vivo, demonstrando a biotolerância do sistema desenvolvido. Espera-se que as cápsulas propostas tenham um impacto considerável e que abram novas perspectivas nos sistemas de encapsulamento celular para regeneração de tecidos.