Biocompatible ionic liquids as processing tools for biomaterials to be applied as novel therapeutic platforms

Abstract

Biocompatible ionic liquids (Bio-ILs) are versatile compounds, and their exploitation to produce Bio-IL/biopolymer systems offers unlimited potential for developing innovative biomedical solutions. However, the use of Bio-ILs in the biomedical field is still modest when considering their fully unexploited potential (Chapter I). Therefore, the main focus of this thesis is to demonstrate the potential of Bio-ILs for creating therapeutic platforms through their ability to process natural polymers as bioactive materials. Envisioning to explore the potential of Bio-ILs to dissolve and process α-chitin into sponges, cholinium acetate, a commercial Bio-IL was used. This study revealed the harmless biological effect of Bio-ILs when kept in the final constructs (Chapter III). Considering this, antioxidant and anti-inflammatory Bio-ILs were synthesized, cholinium gallate (Ch[Gallate]) and cholinium caffeate (Ch[caffeate]). These Bio ILs were dissolved into silk fibroin solutions, allowing to produce sponges with additional antioxidant and anti-inflammatory features, and the ability to support human adipose stem cell growth (Chapter IV). Motivated by these outcomes, the architectures were explored to address the main osteoarthritis (OA) treatment targets: inflammation, oxidative stress, and cartilage damage. In addition, the antimicrobial properties of the Bio-ILs and the sponges were confirmed against clinically relevant bacteria. These matrices sustain the primary human chondrocyte growth, reducing reactive oxygen species generation while downregulating the pro-inflammatory gene expression in osteoarthritic human chondrocytes (HC OA) (Chapter V). To explore the Bio-IL platform as an innovative drug delivery system for OA, alginate/acemannan/Ch[Caffeate] beads were produced. The beads promoted great drug encapsulation, allowing the sustainable release of Ch[Caffeate]. In addition, these beads provided a suitable environment for ATDC5 chondrocyte-like cell growth, and cartilage-like extracellular matrix formation, and blocked the secretion of pro-inflammatory cytokines from differentiated THP-1 (Chapter VI). The versatility of alginate/acemannan/Ch[Caffeate] led us to explore this system as a bioactive ink with encapsulated ATDC5 cells. The establishment of co-culture systems using cell-laden constructs and macrophages allowed us to mimic the inflammation events in OA (Chapter VII). Overall, this thesis contributed for developing advanced technologies comprising Bio-ILs, natural polymers, and relevant cells that may have greater implications in the biomedical field as promising solutions to address cartilage pathologies, including OA.

Os líquidos iónicos biocompatíveis (Bio-ILs) são compostos versáteis. A sua exploração para o desenvolvimento de sistemas Bio-IL/polímero tem potencial ilimitado no desenvolvimento de soluções biomédicas inovadoras. O uso de Bio-ILs na área biomédica é, no entanto, escasso (Capítulo I). Neste sentido, o principal foco desta tese é demonstrar o potencial dos Bio-ILs para o desenvolvimento de plataformas terapêuticas, através da sua capacidade de processamento de polímeros naturais como materiais bioativos. Visando explorar o potencial dos Bio-ILs na dissolução e processamento de α-quitina em esponjas, um Bio-IL comercial, colina acetato, foi usado. Este estudo permitiu-nos validar o carácter não tóxico dos Bio-ILs, quando mantidos nos materiais (Capítulo III). Considerando isto, Bio-ILs com propriedades antioxidantes e anti-inflamatórias foram sintetizados, colina gallate (Ch[Gallate]) e colina caffeate (Ch[Caffeate]). Os Bio-ILs foram dissolvidos em soluções de fibroína de seda, usadas para produzir esponjas com propriedades antioxidantes e anti-inflamatórias, e suportando o crescimento de células estaminais do tecido adiposo (Capítulo IV). Motivado por esses resultados, estes biomateriais foram explorados para o tratamento dos principais sintomas da osteoartrite (OA): inflamação, stress oxidativo e degeneração da cartilagem. As propriedades antimicrobianas dos biomateriais contra bactérias clinicamente relevantes foram também confirmadas. As esponjas suportaram o crescimento de condrócitos humanos (HC), reduziram o stress oxidativo e a expressão de genes associados à inflamação em condrócitos humanos osteoartríticos (HC-OA) (Capítulo V). Para explorar os Bio-ILs como plataformas de entrega de fármacos para o tratamento da OA, o sistema alginato/acemanana/Ch[Caffeate] foi usado para produzir beads. As beads, permitiram encapsular e libertar Ch[Caffeate] de forma eficiente e sustentável. Além disso, promoveram crescimento da linha celular condrogénica ATDC5, a formação de matriz extracelular cartilaginosa, bloqueando a libertação de citocinas pro-inflamatórias em macrófagos THP-1 (Capítulo VI). A versatilidade do sistema mencionado levou-nos a explorá-lo para o desenvolvimento de uma bioink, encapsulando células ATDC5. A criação de sistemas em co-cultura, usando hidrogéis com células ATDC5 encapsuladas e macrófagos, permitiu reproduzir os eventos de inflamação encontrados na OA e estudá-los (Capítulo VII). No geral, esta tese contribuiu para o desenvolvimento de tecnologias avançadas englobando Bio ILs, polímeros naturais e células relevantes que podem ter implicações significativas no campo biomédico como soluções promissoras para tratamento de patologias da cartilagem, incluindo a OA.