Tailored electroactive polymer-based materials for neural tissue engineering applications

Abstract

As lesões neurológicas encontram-se entre as principais causas de morte e incapacidade em todo o mundo. Deste modo, torna-se urgente o desenvolvimento de novas técnicas médicas capazes de reverter os danos causados, permitindo a completa regeneração estrutural e funcional e, em última análise, a recuperação total do paciente. Sendo o sistema nervoso um ambiente eletricamente ativo, os materiais com propriedades eletroativas têm despertado interesse para aplicação na engenharia de tecido neuronal. Neste trabalho, foram processados e avaliados os polímeros piezoelétricos poli(3- hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV) e poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) para estratégias de regeneração de tecidos neuronais. Este trabalho demonstra o processamento de materiais baseados no polímero piezoelétrico PHBV, sob a morfologia de filmes e fibras. Os filmes foram processados sob a forma de filmes densos e com diferentes porosidades, e sob a forma de compósitos com a inclusão de diferentes quantidades de nanopartículas magnetoestritivas (Fe3O4). Por sua vez, as fibras foram obtidas com diferentes diâmetros, orientações e porosidades. Sendo o PHBV um material biodegradável, a influência dos diâmetros das fibras e orientação durante a degradação foi avaliada, recorrendo à imersão em fluído corporal simulado que permitiu também avaliar a bioatividade dos substratos. O efeito da porosidade dos filmes de PHBV, assim como a influência dos filmes compósitos sob estímulo magneto-elétrico, na proliferação de células neuronais SH-SY5Y foram avaliados. A taxa de proliferação dessas células aumentou com o aumento da porosidade dos filmes. Por sua vez, o estímulo elétrico conferido pelos materiais compósitos em condições dinâmicas também promoveu significativamente a taxa de proliferação celular. A influência do polímero piezoelétrico PVDF no comportamento de células neuronais SH-SY5Y e de neurónios primários também foi estudada. Para tal foram processados filmes de β-PVDF com diferentes cargas de superfície (positiva, negativa e neutra), e a adesão, proliferação e diferenciação de células SH-SY5Y sob condições estáticas e dinâmicas, recorrendo a estímulos mecano-elétricos, foram avaliadas. Tanto a presença de cargas à superfície, como de estímulos elétricos, provaram influenciar e promover a adesão, proliferação e diferenciação das células SH-SY5Y. Já nos neurónios corticais primários avaliou-se a influência das cargas de superfície em condições estáticas, que comprovaram melhorar a adesão, viabilidade e maturação dos neurónios. Este trabalho demonstra com sucesso que materiais piezoelétricos e magnetoelétricos representam uma abordagem muito promissora para estratégias avançadas de regeneração de tecido neuronal, por estimulação dinâmica eletroativa do microambiente celular.

Neurological injuries are among the leading causes of death and disability worldwide. Thus, it is urgent to develop new medical techniques capable of reversing the damage, allowing for complete structural and functional regeneration and, ultimately, the full recovery of patients. As the nervous system is an electrically active environment, materials with electroactive properties have attracted interest for application in neuronal tissue engineering. In this work, the piezoelectric polymers poly(3-hydroxybutyrateco- 3-hydroxyvalerate) (PHBV) and poly(vinylidene fluoride) (PVDF) have been processed and evaluated for neuronal tissue regeneration strategies. This work demonstrates the processing of materials based on PHBV in the morphology of films and fibers. In the case of films, these were processed in the form of dense films and with different porosities, and in the form of composites with the inclusion of different contents of magnetostrictive nanoparticles (Fe3O4). In turn, fibers were obtained with different diameters, orientations, and porosities. Since PHBV is a biodegradable material, the influence of fiber diameter variation and orientation during degradation was evaluated using immersion in serum body fluid (SBF), which also allowed the assessment of the substrate’s bioactivity. The effect of PHBV films porosity was studied on SH-SY5Y neuronal cell proliferation, as well as the influence of composite films under magnetoelectric stimulation. The cell proliferation rate was enhanced with the increasing porosity of the films. In turn, the electrical stimulus conferred by the composite materials under dynamic conditions also significantly promoted the proliferation rate. The influence of the PVDF piezoelectric polymer on the behavior of SH-SY5Y neuronal cells and primary neurons was also studied. For this purpose, β-PVDF films with different surface charges (positive, negative and neutral) were processed, and the adhesion, proliferation and differentiation of SH-SY5Y cells under static and dynamic mechanoelectrical stimuli were evaluated. Both the presence of surface charges and electrical stimuli showed to influence and promote adhesion, proliferation, and differentiation of SHSY5Y cells. In cortical primary neurons, the influence of surface charges under static conditions was evaluated, and shown to improve the adhesion, viability, and maturation of neurons. This work successfully demonstrates that piezoelectric and magnetoelectric materials represent a very promising approach for advanced neural tissue regeneration strategies, by electroactive dynamical stimulation of the cell microenvironment.