Tissue engineering strategies based on marine biomaterials for regeneration of cartilage tissue

Abstract

Cartilage repair after a trauma or a degenerative disease like osteoarthritis (OA) continues to be a big challenge in modern medicine due to the limited self-regenerative capacity of the articular cartilage tissues. To overcome the current clinical limitations, tissue engineering has focused on new therapeutical procedures and materials capable of restoring most native tissue functionalities through temporary polymeric scaffolding, often using stem cells. In recent years, marine-origin materials have emerged as a sustainable alternative to mammalian counterparts to develop various types of scaffolds, including hydrogels, membranes, cryogels, and 3D printed scaffolds. The thesis presents a complete and deep characterization of the selected marine polymers [i.e., jellyfish collagen (jCOL), shark skin collagen (sCOL), squid pens chitosan (sCHT), brown algae fucoidan (aFUC), and shark chondroitin sulfate (sCS)], which were used to develop different biomaterials using innovative processing. The compressive and absorption methodology used to produce hydrogels showcased their potential for developing implantable scaffolds, also inspiring the production of molded membranes. Likewise, cryogels were also explored as injectable polymeric materials, as well as inks enabling the production of 3D printed scaffolds. These biomaterials were characterized regarding morphology, structural integrity, protein and biochemical contents, thermal and molecular properties, water uptake capacity, and degradation properties, as well as assessing their mechanical behavior. Furthermore, the biomaterials demonstrated an interesting microenvironment in in vitro studies for cultured chondrocyte cell lines (ATDC5), primary human adipose-derived stem cells (hASCs), or immortalized human mesenchymal stem cells (MSC) expressing human telomerase (hTERT), supporting cell viability and proliferation. Overall, this thesis allowed the development of several advanced marine-based biomaterial scaffolds, comprising both cell seeding and encapsulation strategies, as well as to be used as implantable and injectable materials for their future use in biomedical applications as regenerative tissue material for different stages/grade deterioration of damaged cartilage tissues.

A regeneração de tecidos de cartilagem após trauma ou doença degenerativa continua a ser um grande desafio para a medicina moderna devido à sua limitada capacidade de auto-regeneração. De modo a ultrapassar as atuais limitações, a engenharia de tecidos tem-se focado em novos procedimentos terapêuticos e materiais com capacidade de restaurar as funcionalidades dos tecidos originais. Nos últimos anos, materiais de origem marinha surgiram como uma alternativa sustentável aos de mamíferos para o desenvolvimento de vários tipos de scaffolds, como hidrogéis, membranas, criogéis e impressões de scaffolds 3D. Neste sentido, esta tese inclui uma caracterização completa dos polímeros marinhos selecionados [ou seja, colagénio de medusa (jCOL), colagénio de tubarão (sCOL), quitosano de lulas (sCHT), fucoidano de algas castanhas (aFUC) e sulfato de condroitina de tubarão (sCS)], usados para o desenvolvimento de diferentes biomateriais com processos inovadores. A metodologia de compressão e absorção utilizada para a produção de hidrogéis mostrou o seu potencial para o desenvolvimento de scaffolds implantáveis, inspirando também a produção de membranas. Da mesma forma, também foram explorados criogéis como materiais injetáveis, bem como inks para a produção de scaffolds impressos em 3D. Estes biomateriais foram caracterizados quanto à sua morfologia, integridade estrutural, concentração de proteína, bioquímicos, propriedades térmicas e moleculares, capacidade de absorção de água e de degradação, bem como a avaliação de seu comportamento mecânico. Além disso, os biomateriais demonstraram um microambiente interessante em estudos in vitro em linhas celulares de condrócitos (ATDC5), células estaminais derivadas de tecido adiposo humano (hASCs) ou células-estaminais mesenquimais humanas imortalizadas (MSC), suportando a sua viabilidade e proliferação. Globalmente, esta tese permitiu o desenvolvimento de vários tipos de scaffolds com base em materiais marinhos, explorando estratégias de semeadura e encapsulamento celular, bem como para serem usados como materiais implantáveis e injetáveis para seu uso futuro em aplicações biomédicas em diferentes estágios/grau de deterioração de tecidos cartilaginosos danificados.