Design and development of centrifugal spun fibers loaded with graphene oxide for skin regeneration

Abstract

A pele, sendo o maior órgão do corpo humano, desempenha um papel crucial na qualidade de vida do Homem, devido à sua alta suscetibilidade a lesões. Há alguns anos, a ideia de substituir e reparar a pele com tecidos substitutos parecia longe de ser uma realidade. As únicas opções disponíveis eram segmentos parciais ou totais de pele, enxertos de pele e transferências livres de tecidos. Atualmente, graças aos avanços na Engenharia de Tecidos, esse cenário mudou significativamente. A Engenharia de Tecidos é um campo multidisciplinar emergente que integra diversas áreas científicas, como ciências da vida e princípios de engenharia, com o objetivo de desenvolver biomateriais destinados à regeneração de tecidos ou órgãos danificados. Esta abordagem visa superar a escassez de órgãos disponíveis para doação, além de assegurar a compatibilidade com o sistema imunológico do recetor. Ao criar estruturas poliméricas que imitam a matriz extracelular, a engenharia de tecidos promove a adesão, migração, proliferação e diferenciação celular, permitindo a regeneração e reparação de tecidos usando células, biomoléculas e fatores de crescimento do próprio doente, formando, em última análise, tecido viável e totalmente funcional. Nas últimas três décadas, ocorreram progressos significativos na regeneração do tecido cutâneo, particularmente no âmbito da cicatrização de feridas. O processo normal de cicatrização envolve várias etapas, cuidadosamente sincronizadas e controladas. A aprovação de diversos biomateriais para aplicação dermatológica, juntamente com a extensa investigação nessa área, impulsionou o campo da Engenharia de Tecidos. Este progresso envolve o desenvolvimento de suportes tridimensionais (suportes 3D) totalmente biocompatíveis capazes de replicar o microambiente in-vivo. Um método promissor para a produção de suportes 3D é a fiação centrífuga, que se apresenta como uma alternativa viável à eletrofiação. O processo utiliza a força centrífuga para produzir micro e nanofibras e é influenciado por diversos parâmetros, os quais podem ser categorizados em: parâmetros de solução (como concentração da solução, viscosidade, taxa de evaporação do solvente e tensão superficial), parâmetros de processo (incluindo velocidade de rotação, diâmetro do bico e orientação e distância da fieira ao coletor) e parâmetros ambientais (como temperatura e humidade). Neste trabalho, o óxido de grafeno (GO) foi selecionado para aplicação em Engenharia de Tecidos devido às suas características únicas, como flexibilidade, biocompatibilidade e propriedades antibacterianas, entre outras. Além disso, apresenta excelente porosidade e elevada área superficial, o que o torna ideal para a integração com outros polímeros, como poli-ε-caprolactona (PCL) e colagénio (COL), no fabrico de suportes. Dadas estas premissas, a presente tese de investigação tem como objetivo o desenho e o desenvolvimento de suportes 3D PCL-COL-GO, contendo grafeno, por meio do método de fiação centrífuga. As fibras produzidas foram posteriormente submetidas a processos de caracterização físico-química, abrangendo avaliações de morfologia, dimensões das fibras, propriedades mecânicas e molhabilidade. Além disso, foram realizados testes de degradação e ainda análise das características biofarmacêuticas.

The skin, being the largest organ in the human body, plays a crucial role in a Human´s quality of life, due to its high susceptibility to injury. Years ago, the concept of replacing and fixing skin using replacement tissues seemed far from being a reality. The only choices available were partial or full tissue flaps, skin grafts, and free tissue transfers. In current times, this scenario has changed significantly, due to advancements in Tissue Engineering. Tissue Engineering (TE) is an emerging multidisciplinary field that integrates various scientific areas such as life sciences and engineering concepts to develop biomaterials aimed at regenerating damaged tissues or organs, overcoming the shortage of donor organs, and promoting compatibility with the recipient's immune system. TE by creating polymeric scaffolds that mimic the extracellular matrix, promotes cell adhesion, migration, proliferation, and differentiation, enabling the regeneration and repair of tissues with the patient's cells, growth factors and biomolecules, resulting in the development of functional, viable tissue. Over the past three decades, significant advancements have been achieved in skin tissue regeneration, particularly in the field of wound healing. The typical healing process includes several meticulously synchronized and controlled stages. The approval of various biomaterials for dermatological uses, coupled with extensive research, has propelled the field of TE. This progress involves the development of fully biocompatible 3D scaffolds designed to mimic the in-vivo microenvironment. One promising method for 3D scaffolds production is centrifugal spinning (CS), which has emerged as a viable alternative to electrospinning. The CS process uses centrifugal force to produce micro and nanofibers and is influenced by various parameters, categorized into solution parameters (such as solution concentration, viscosity, solvent evaporation rate, and surface tension), process parameters (including rotational speed, nozzle diameter and orientation, and spinneret distance to the collector), and environmental parameters ( like temperature and humidity). In this work, graphene oxide (GO) was selected for TE due to its unique features, such as flexibility, biocompatibility, antibacterial properties, and more. It also provides excellent porosity and surface area, making it ideal for integration with other polymers, such as polycaprolactone (PCL) and collagen (COL), when creating scaffolds. Given these premises, the aim of the present research thesis is the design and development of PCLCOL-GO 3D scaffolds containing graphene via centrifugal spinning. The fibers produced were then subjected to physicochemical characterizations, including assessments of morphology, fiber dimensions, mechanical properties, and wettability. In addition, degradation tests were performed, along with the evaluations of biopharmaceutical characteristics.