Block copolymer nanopatterns for biomedical applications

Abstract

A auto-organização de copolímeros em bloco (BCP) é uma abordagem viável, de alta resolução de baixo para cima, para o fabrico em grande escala com alta fidelidade - características que não são comuns para a maioria dos métodos de nanofabricação. A nanotopografia dos revestimentos gerados pode ser afinada pela escolha dos blocos, o seu peso molecular e as condições experimentais. Esta abordagem permite a biofuncionalização dos nanodomínios com biomoléculas com diferentes bioatividades. Nesta tese, o copolímero em bloco poliestireno-b-poli(2-vinilpiridina) (PS-b-P2VP) com diferentes pesos moleculares foi utilizado para preparar revestimentos nanoestruturados com topografias micelares e cilíndricas para diferentes aplicações biomédicas. Foi investigado o efeito dos nanopadrões desenvolvidos no morfologia celular (Capítulo III) e diferenciação (Capítulo IV). As células cancerosas ósseas e as células estaminais mesenquimais (CEM) responderam de forma diferente: os nanopadrões micelares de PS-b-P2VP com elevado peso molecular promoveram a adesão das CEM e tiveram um efeito oposto nas células cancerosas. Estudos sobre o efeito de diferentes nanopadrões no compromisso osteogénico das CEM mostraram que os nanopadrões cilíndricos são mais adequados para a regeneração e engenharia do tecido ósseo com células estaminais. As propriedades bactericidas dos revestimentos com nanopadrões obtidos no vidro (prova de conceito, Capítulo V) e em substratos de titânio utilizados em implantes dentários (Capítulo VI) também foram investigadas. Os resultados mostraram que uma combinação da nanotopografia e química de superfície é necessária para um efeito bactericida eficiente: as nanotopografias cilíndricas com ambos os blocos de PS-b-P2VP expostos na superfície tiveram a maior capacidade bactericida. Estes revestimentos não eram citotóxicos e que os macrófagos cultivados em contacto directo com os revestimentos mostraram um equilíbrio imunomodulador adequado para a integração dos tecidos. A possibilidade de biofuncionalização dos revestimentos desenvolvidos foi demonstrada pela imobilização da heparina nos domínios P2VP após uma quaternização para o desenvolvimento de dispositivos de contacto com sangue (Capítulo VII). A quaternização e heparinização resultaram em excelentes propriedades antitrombóticas e hemocompatíveis. No caso da quaternização, este efeito dependia do tamanho do bloco P2VP, enquanto todos os padrões heparinizados tinham um desempenho semelhante, mostrando que uma cobertura superficial de heparina de 40% é suficiente para melhorar substancialmente a hemocompatibilidade. Esta tese demonstrou o potencial e a versatilidade da auto- organização de BCP na fabricação de revestimentos não citotóxicos com bioactividade específica para aplicações biomédicas.

Block copolymers (BCP) self-assembly has emerged as a feasible, high-resolution bottom-up approach for large scale fabrication with high fidelity - features that are not common for most of the nanofabrication methods. In this approach, coatings with targeted nanotopography can be assembled from polymers with tuned blocks and molecular weight at specific experimental conditions. It also allows successive modification of the assembled nanodomains with biomolecules, e.g. proteins, that can generate bioactive coatings. In this thesis, self-assembly of the block copolymer polystyrene-b-poly(2- vinylpyridine) (PS-b-P2VP) with different molecular weight was used to prepare nanostructured coatings with micellar and cylindrical topographies for biomedical applications. The effect of the developed nanopatterns on cell spreading (Chapter III) and differentiation (Chapter IV) was investigated. Bone cancer cells and mesenchymal stem cells (MSCs) responded differently: micellar nanopatterns assembled from PS-b-P2VP with high molecular weight promoted adhesion and spreading of MSCs and had an opposite effect on cancer cells. The results about the effect of the nanopatterns on the osteogenic commitment of MSCs showed that cylindrical nanopatterns are more suitable for regeneration and engineering of bone tissue involving stem cells. The bactericidal properties of nanopatterned coatings assembled on glass (proof of concept, Chapter V) and on titanium substrates used in dental implantation (Chapter VI) were also investigated. The results showed that a proper combination between nanotopography and surface chemistry is required for an efficient bactericidal effect: cylindrical nanotopographies with both blocks of PS-b-P2VP exposed on the surface had the highest bactericidal capacity. Of note, these coatings were not cytotoxic for mammalian cells and allowed their adhesion and growth. Moreover, macrophages cultured in direct contact with the coatings showed an immunomodulatory balance adequate for tissue integration. The possibility for biofunctionalization of the developed coatings was demonstrated by immobilization of heparin on the P2VP domains after a quaternization for development of blood-contacting devices (Chapter VII). Quaternization and heparinization resulted in excellent antithrombotic and hemocompatible properties by hampering the fibrinogen adhesion and platelet activation. In the case of quaternization, this effect depended on the size of the P2VP block, while all heparinized patterns had a similar performance showing that heparin surface coverage of 40% is enough to improve substantially the hemocompatibility. Overall, this thesis demonstrates the potential and versatility of BCP self-assembly in fabrication of non-cytotoxic coatings with specific bioactivity for targeted biomedical applications.