Cricket derivatives as innovative material in tissue engineering

Abstract

A pele e as membranas mucosas são consideradas os maiores órgãos do corpo humano. Estas constituem a primeira linha de defesa em caso de disrupção da homeostasia causada por qualquer tipo de invasão, o que pode levar a uma aumentada predisposição a infeção de feridas e, consequentemente, impedir a sua cura correta. Quando a barreira epitelial oral é destruída pode originar perda óssea, dano tecidular e, eventualmente, levar a doenças tais como periodontite, doenças mucosas orais e cancro oral. Para superar estes problemas, existe uma clara necessidade de desenvolver novos sistemas de veiculação eficazes e abordagens alternativas que promovam a cura intraoral e a remodelação tecidular. O Electrospinning é uma técnica emergente, simples e barata que explora a força electroestática para produzir fibras contínuas de dimensões nanométricas a partir de vários materiais poliméricos. No entanto, embora as estruturas (scaffolds) obtidas por electrospinning tenham inúmeras vantagens e características benéficas, estas consistem em camadas de fibras densamente empacotadas, o que pode restringir a infiltração e crescimento celular nas mesmas. Assim, há uma necessidade crescente de desenvolver um novo procedimento capaz de criar uma estrutura tridimensional que mimetize a arquitetura da matriz celular nativa. Com este propósito, a combinação da técnica de electrospinning com gas foaming providencia uma abordagem interessante para o tratamento de feridas da mucosa oral. Adicionalmente, os insetos, especialmente os grilos, têm sido propostos como uma ferramenta inovadora para a saúde humana devido aos seus efeitos anti-inflamatórios, antimicrobianos, antifúngicos e antioxidantes, características conferidas pela sua quantidade significativa de quitina. Para melhorar o processo de cura de feridas, foi tida em consideração a adição de hidroxiapatite, um material biocerâmico capaz de mimetizar o conteúdo mineral da matriz extracelular no osso. Tendo estas premissas em conta, este projeto teve como objetivo o delineamento (design) e desenvolvimento de nanofibras baseadas em grilos através de gas foaming enriquecidas com hidroxiapatite, capazes de mimetizar a matriz extracelular nativa e de restaurar o tecido ósseo através da estimulação da produção de cálcio. Foram produzidas estruturas nanofibrosas contendo grilos e hidroxiapatite na sua constituição utilizando a técnica de electrospinning, tendo sido mais tarde convertidos em sistemas tridimensionais utilizando a técnica de gas foaming. A presença de grilos alterou a morfologia das fibras conferindo-lhes uma maior ancoragem à célula, enquanto que a hidroxiapatite lhes providenciou uma elasticidade aumentada e uma maior resistência à quebra. As fibras provaram ser biocompatíveis com fibroblastos humanos e suportar a adesão e proliferação dos mesmos in vitro. Revelaram ainda possuir atividade anti-inflamatória.

The skin and mucous membrane constitute the largest organs in the body. They are the first line of defence in case of disruption of homeostasis caused by any kind of invasion, which could lead to increased predisposition to wound infection and further inhibit proper wound healing. Once the oral epithelial barrier is destroyed, it can trigger bone loss, tissue damage and eventually lead to diseases such as periodontitis, oral mucosal diseases and oral cancer. To overcome these problems there is a clear need for new efficacious delivery systems and alternative approaches to promote intraoral healing and tissue remodelling. Electrospinning is an emerging simple and low-cost technique that exploits electrostatic force to produce continuous fibres of nanometric dimensions from various polymeric materials. However, although electrospun scaffolds have many advantages and beneficial characteristics, they consist of densely packed fibre layers, which are believed to restrict cell infiltration and growth into the scaffolds. This leads to a growing necessity of developing a new procedure capable of creating a threedimensional structure that mimics the architecture of native extracellular matrix. At this purpose, the combination of electrospinning and gas foaming provides an interesting approach for the treatment of oral mucosa wounds. Moreover, insects, especially crickets, have been proposed as an innovative tool for human health because of their anti-inflammatory, antimicrobial, antifungal and antioxidant effects, due to their significant content amounts of chitin. To improve the tissue healing process, the load of hydroxyapatite, a bioceramic material able to mimic the mineral content of extracellular matrix in the bone, was also taken in account. Given these premises, this work aimed on the design and development of cricket-based gas foamed nanofibers enriched with hydroxyapatite, able to mimic the native extracellular matrix and to restore the bone tissue through the stimulation of calcium production. Nanofibrous scaffolds containing crickets and hydroxyapatite were manufactured using the electrospinning technique and later converted in 3-dimensional systems using the gas foaming technique. The presence of crickets altered the fibres morphology giving them an increased anchorage to the cell, whilst the hydroxyapatite provided the fibres a greater elasticity and resistance to break. The fibres were biocompatible with human fibroblasts and were able to support fibroblast adhesion and proliferation in vitro. They also showed anti-inflammatory activity.