High-throughput processing and analysis of marine-based biomaterials and cells

Tese de Doutoramento em Engenharia BiomédicaAs the field of Tissue Engineering (TE) progresses, new technology are essential to accelerate the identification of potentially translatable approaches for the repair of tissues damaged due to disease or trauma. The development of high-throughput and combinatorial technologies is helping to speed up research that is applicable to all aspects of the TE paradigm. In this thesis, interactions of cells with many diverse materials in both two- and three-dimensions was assessed rapidly through the use of superhydrophobic (SH) chips for rapid outcome measurements of cell-material or cell-cell combinations. The main hypothesis is that flat biomimetic SH surfaces patterned with transparent superhydrophilic (SL) spots were used to individual pattern biomaterials with precise shape and pre-determined height, by controlling the volume dispensed in each wettable spot. Initially, distinct combinations of nanostructured films were produced using layer-by-layer methodology and their morphological, physicochemical, and biological properties were analyzed using glass slides and then validated on-chip. Inspired by the composition of the adhesive proteins in mussels, thin films containing dopamine-modified hyaluronic acid were studied. The flat configuration of the SH chip allowed to perform a series of nondestructive and non-conventional measurements directly on the individual spots. In situ adhesion properties were directly measured in each wettable spot, showing that nanostructured films richer in dopamine promote the adhesion compared to control films (hyaluronic acid and alginate films – two polysaccharides often regarded as good natural adhesives – were assembled in parallel). In vitro tests showed an enhanced cell adhesion for the films with more catechol groups. Combining two biomimetic concepts we developed devices with multifunctional capabilities. One approach was based on two-sided film made almost entirely from polystyrene onto which the properties of both lotus leaves and mussel adhesive were incorporated. On one side of the film, imparting micro and nanometer scale hierarchical roughness yields superhydrophobicity and water repellency, providing rapid fluid flow and the basis for microfluidic devices, as such synthetic blood or fluid flow vessels. On second approach, SH microarray based on the so-called lotus effect were produced, onto which arrays of micro-indentations allow the fixing of liquid droplets, based on the rose-petal effect. Such platforms were able to sustain arrays of quasi-spherical microdroplets, allowing the isolation and confinement of different combinations of substances and living cells. Distinct compartmentalized physical, chemical, and biological processes were monitored individually in each droplet. In addition, taking the advantage of controlled positional adhesion and minimum contact with a solid substrate, we developed a novel hanging spherical drop system for anchoring arrays of droplets of cell suspension. By facing the chip downward it was possible to generate independent spheroids bodies in a high throughput manner, in order to mimic in vivo tumor models in a lab-on-chip scale. The system was validated for drug screening purposes and the toxicity of the anti-cancer drug doxorubicin in cell spheroids was tested and compared to monolayer cells culture. Finally, high-throughput fabrication of alginate hydrogel particles of specific sizes and shapes was developed using a droplet microarray. The method was based on the formation of arrays of droplets of pre-hydrogel solutions on SH-SL patterns using the process of discontinuous de-wetting, followed by their gelation via the parallel addition of the crosslinker to the individual droplets via the sandwiching method. The viability of living cells incorporated within the hydrogel particles was evaluated showing to be higher during the long-term cultivation than in the case of cells cultured in the bulk three-dimensional hydrogel matrix. In conclusion, SH platforms patterned with wettable spots used in this thesis proved to be compatible with a complete study of both two- and three-dimensional biomaterial-cell interactions, comprising a wide set of factors as biomaterials characterization and in vitro testing. Although much of the work performed is only applicable for in vitro studies, future methods may translate into rapid screening of these approaches in vivo.Com o progresso da área de engenharia de tecidos (ET), novas tecnologias são essenciais para acelerar a identificação de abordagens potencialmente adaptáveis para a reparação de tecidos danificados devido a doenças ou traumatismo. O desenvolvimento de testes expeditos e tecnologias combinatórias está a ajudar a acelerar a investigação que é aplicável para todos os exemplos dos paradigmas de ET. Nesta tese, as interações das células com vários materiais, tanto em duas como em três dimensões, foram rapidamente analisadas através de chips superhidrofóbicos (SH), de modo a obter medições rápidas das combinações entre células-materiais ou células-células. A hipótese principal é que superfícies planas SH padronizadas com regiões superhidrofílicas (SL) transparentes foram usadas para depositar biomateriais com forma e altura precisas, controlando o volume depositado em cada área molhável. Inicialmente, combinações distintas de filmes nano-estruturados foram produzidos através da metodologia de camada-sobre-camada, e as suas propriedades morfológicas, físico-químicas e biológicas foram analisadas em lâminas de vidro, e posteriormente, validadas em chip, tendo como inspiração a composição das proteínas adesivas existente nos mexilhões. Filmes finos compostos por ácido hialurónico modificado com dopamina foram alvo de estudo. A configuração plana do chip SH permitiu executar uma série de medições não-destrutivas e não-convencionais diretamente sobre as regiões molháveis. As propriedades de adesão in situ foram diretamente medidas em cada região hidrofílica, mostrando que os filmes nano-estruturados com mais dopamina promovem a adesão, em comparação com filmes usados como controlo (filmes de ácido hialurónico e de alginato - dois polissacarídeos considerados como bons adesivos naturais - foram construídos em paralelo). Os testes in vitro mostraram uma melhor adesão celular para os filmes com mais grupos catechol. A combinação de dois conceitos bio-miméticos permitiu desenvolver dispositivos com capacidades multifuncionais. Uma primeira abordagem foi baseada num filme contendo duas faces, feito inteiramente a partir de poliestireno, integrando as tanto as propriedades das folhas de lótus as adesivas do mexilhão. Um lado do filme obtém superhidrofobicidade e alta repelência à água devido à rugosidade hierárquica e à escala micro e nano-métrica, proporcionando um fluxo de fluido rápido e uma base para novos dispositivos para microfluídica, como tal sangue sintético ou fluxo de fluidos nos canais. Na segunda abordagem, as superfícies SH baseadas no efeito de lótus foram padronizadas com micro-indentações para fixar gotas líquidas, mimetizando o efeito das pétalas de rosas. Estas plataformas foram capazes de suportar matrizes de micro-gotas quase esféricas, permitindo o isolamento e aderência de diferentes combinações de substâncias e células vivas. Diversos processos, tais como, físicos, químicos e biológicos foram monitorizados individualmente em cada gota. Além disso, tendo em conta a vantagem da adesão controlada da posição e contacto mínimo da gota com a superfície sólida, desenvolvemos um novo sistema de gota esférica pendurada de modo a fixar matrizes de gotas contendo suspensão de células. Voltando a superfície sólida para baixo, foi possível gerar corpos independentes de esferoides de uma forma expedita, de modo a mimetizar modelos in vivo, a uma escala lab-on-chip. O sistema foi validado para fins de rastreio de fármacos e a toxicidade da doxorubicina nos esferoides foi testada e comparada com a cultura de células em monocamada. Finalmente, o fabrico expedito de hidrogeis de alginato com o tamanho e forma especifica foi desenvolvido usando superfícies padronizadas de gotas. O método foi baseado na formação de matrizes de gotas de soluções pré-hidrogel nas superfícies padronizadas SH com regiões SL usando um processo molhável descontinuo. O processo de formação de gel foi obtido através da adição paralela de um agente reticulante a cada gota individualmente, usando um método “sandwich”. A viabilidade das células incorporadas dentro do hidrogel foi avaliada para um longo tempo de cultura mostrando ser mais elevada em comparação com as células incorporadas dentro de uma matriz 3D de hidrogel em massa. Em conclusão, as superfícies padronizadas SH com regiões molháveis provaram ser compatíveis com um estudo completo de interações 2D e 3D entre células e biomateriais, compreendendo um vasto conjunto de factores como a caracterização de biomateriais e testes in vitro. Embora a maioria do trabalho realizado só tem aplicabilidade para estudos in vitro, métodos futuros podem transpor para uma seleção rápida destas abordagens in vivo