PT105960A - PROCESS FOR DEPOSITION OF BIOMATERIALS IN WATER REPELLENT SUBSTRATES AND BIOMATERIAL RESULTS - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIÇÃODESCRIPTION
PROCESSO PARA DEPOSIÇÃO DE BIOMATERIAIS EM SUBSTRATOS REPELENTES A ÁGUA E RESULTANTES BIOMATERIAISPROCESS FOR DEPOSITION OF BIOMATERIALS IN WATER REPELLENT SUBSTRATES AND BIOMATERIAL RESULTS
Domínio técnico da invenção A presente invenção diz respeito a um processo para a deposição de biomateriais em superfícies planas com elevada repelência a líquidos, substratos tratados e concebidos para esse efeito bem como os produtos ou artigos compreendendo os biomateriais depositados nas superfícies tratadas.TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a process for the deposition of biomaterials on flat surfaces with high repellency to liquids, treated and designed substrates as well as products or articles comprising the biomaterials deposited on the treated surfaces.
Antecedentes da invenção 0 desempenho de materiais para serem utilizados em aplicações biomédicas pode ser aferido em laboratório de acordo com a resposta celular em ambientes controlados. Numa perspectiva de redução de tempo dispendido e custos associados a esta análise é fundamental o desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de análise expedita, de modo a rastrear diferentes combinações de materiais, como por exemplo, células, moléculas bioactivas e meios de cultura.BACKGROUND OF THE INVENTION The performance of materials for use in biomedical applications can be measured in the laboratory according to the cellular response in controlled environments. The development and improvement of expedited analysis techniques to track different combinations of materials, such as cells, bioactive molecules and culture media, is essential in a time-consuming and cost-related approach.
As tecnologias de análise expedita foram inicialmente desenvolvidas e aplicadas na indústria farmacêutica (1). No entanto, são poucos os sistemas de análise expedita disponíveis no mercado para analisar biomateriais. Como pioneiro na criação da primeira "biblioteca" de polímeros, destaca-se Joachim Kohn (2) .Rapid analysis technologies were initially developed and applied in the pharmaceutical industry (1). However, there are few expedient analysis systems available on the market to analyze biomaterials. As a pioneer in the creation of the first " library " of polymers, Joachim Kohn (2) points out.
Actualmente, muitas das plataformas para análise expedita são baseadas em superfícies repelentes à adesão celular onde nano/micro-quantidades de polímero podem ser depositadas e estão 1 em contacto com o mesmo meio, após a imersão de toda a plataforma num meio de cultura (3,4). Uma desvantagem deste tipo de plataforma é ser impossível colocar diferentes materiais em contacto com distintos ambientes celulares e meios de cultura, limitando o estudo às combinações de materiais.Many of the platforms for expeditious analysis are now based on cell adhesion repellent surfaces where nano / micro-quantities of polymer can be deposited and are in contact with the same medium, after immersion of the entire platform in a culture medium (3). , 4). A disadvantage of this type of platform is that it is impossible to place different materials in contact with different cellular environments and culture media, limiting the study to the combinations of materials.
Outra possibilidade para se efectuar uma análise combinatorial ou multi-factorial é recorrer ao uso de placas de poços comerciais (5,6) que, apesar de permitirem o estudo dos diversos materiais em diferentes ambientes biológicos, utilizam quantidades relativamente volumosas de biomateriais, que se encontram separadas por paredes rígidas e de elevada altura.Another possibility to perform a combinatorial or multi-factorial analysis is to resort to the use of commercial well plates (5,6) which, although allowing the study of the different materials in different biological environments, use relatively large amounts of biomaterials, which are separated by rigid walls and high height.
Nas técnicas baseadas em plataformas onde são depositados materiais de reduzida dimensão, existem vários métodos para a sua obtenção, que se podem dividir em técnicas directas e indirectas.In the techniques based on platforms where small materials are deposited, there are several methods to obtain them, which can be divided into direct and indirect techniques.
Nos métodos de impressão directa, o uso de uma máscara ou molde não é necessário. Estas podem envolver contacto, estando divididas em impressão por contacto, impressão sem contacto e técnicas baseadas em feixes (7,8). Nas impressões de contacto, uma ponta (geralmente metálica) é usada para aplicar um material ou energia numa superfície. A impressão sem contacto, também conhecida como impressão "inkjet", é obtida pela ejecção de volumes na ordem dos nanolitros de um microcapilar em posições específicas numa superfície. Esta técnica, geralmente usada para imprimir tinta em papel, foi adaptada para a análise expedita de resposta celular a biomateriais usando uma superfície de vidro revestido com agarose (9). Dois tipos de colagénio foram usados como "tinta", obtendo padrões com 350ym de diâmetro. 2 0 uso de gradientes, ou seja, estruturas onde uma propriedade é variada continuamente ao longo do espaço, é outra alternativa para estudos combinatórios de interacções biomateriais-células. Por exemplo, o efeito do módulo de elasticidade de hidrogéis tridimensionais na diferenciação osteogénica foi estudado usando um gradiente continuo de poli(etilenoglicol) reticulável com radiação ultravioleta (UV), onde células murinas pré-osteoblásticas se encontravam encapsuladas (10) . No entanto, neste tipo de sistemas existe um risco de comunicação entre as células que, além de estarem expostas ao mesmo meio de cultura, poderão comunicar entre si visto não haver uma barreira física a separá-las.In direct printing methods, the use of a mask or a template is not necessary. These can involve contact, being divided into contact printing, contactless printing and bundle-based techniques (7,8). In contact prints, a tip (usually metallic) is used to apply a material or energy to a surface. Non-contact printing, also known as " inkjet " printing, is obtained by ejecting volumes in the order of the nanoliters of a microcapillary at specific positions on a surface. This technique, generally used to print ink on paper, was adapted for the expedited analysis of cell response to biomaterials using an agarose coated glass surface (9). Two types of collagen were used as " paint ", obtaining standards with 350ym in diameter. The use of gradients, that is, structures where a property is continuously varied throughout space, is another alternative for combinatorial studies of biomaterial-cell interactions. For example, the effect of the modulus of elasticity of three-dimensional hydrogels on osteogenic differentiation was studied using a continuous gradient of ultraviolet (UV) crosslinkable poly (ethylene glycol), where pre-osteoblastic murine cells were encapsulated (10). However, in such systems there is a risk of communication between cells which, in addition to being exposed to the same culture medium, may communicate with one another as there is no physical barrier separating them.
Considerando documentos de patente na área de estudos combinatórios de biomateriais, poderão ser focados três exemplos distintos: (i)a impressão por contacto no qual micro-hidrogéis são depositados numa superfície com repelência à adesão celular, (ii) a fabricação de micro-poços por litografia de materiais planos "sobt lithography", onde biomateriais ou células podem ser depositados, e (iii) o estudo bidimensional de análise da influencia da topografia na resposta celular.Considering patent documents in the field of biomaterial combinatorial studies, three distinct examples may be focused: (i) contact printing in which microhydrogels are deposited on a surface repellent to cell adhesion, (ii) the manufacture of micro-wells by lithography of flat materials " sobt lithography ", where biomaterials or cells can be deposited, and (iii) the two-dimensional study of analysis of the influence of topography on the cellular response.
Anderson criou um método para a produção de micro-matrizes de biomateriais poliméricos (11) . As superfícies dos substratos apresentam baixa afinidade de adesão celular, permitindo organizar os biomateriais poliméricos como elementos de uma micro-matriz na superfície do substrato. Numa outra abordagem deste método, é feito um encapsulamento celular na micro-matriz de biomateriais poliméricos em que uma dosagem apropriada de células é adicionada em cada elemento da micro-matriz. O substrato é imerso num único meio de cultura. Este facto impede que cada um dos biomateriais depositados na micro-matriz seja totalmente independente do resto da micro-matriz, de modo a que todas as amostras têm de ser testadas sob o efeito do mesmo meio de cultura celular. Uma outra desvantagem deste método 3 relaciona-se com o volume de biomaterial passível de ser depositado. Visto que não existem forças físicas suficientemente fortes para evitar o espalhamento dos biomateriais na plataforma, o controlo estrutural dos biomateriais dependente da sua altura fica restrito tornando, por exemplo, a inserção de porosidade impossível.Anderson created a method for the production of micro-matrices of polymeric biomaterials (11). The surfaces of the substrates have low affinity for cell adhesion, allowing to organize the polymeric biomaterials as elements of a micro-matrix on the surface of the substrate. In another approach of this method, a cellular encapsulation is made in the microarray of polymeric biomaterials wherein an appropriate dosage of cells is added to each microarray element. The substrate is immersed in a single culture medium. This prevents each of the biomaterials deposited in the microarray being completely independent of the rest of the microarray, so that all the samples have to be tested under the effect of the same cell culture medium. A further disadvantage of this method 3 relates to the volume of biomaterial liable to be deposited. Since there are no physical forces strong enough to prevent scattering of the biomaterials in the platform, the structural control of the biomaterials dependent on their height is restricted, for example making insertion of the porosity impossible.
Khademhosseini (12) desenvolveu um dispositivo para análise expedita que contém micro-poços com o formato de uma micro-matriz e um molde impresso correspondente para análises combinatórias. A disposição dos dispositivos para depositar os biomateriais para as análises rápidas corresponde à disposição dos micro-poços, de tal forma que cada depósito aborda um único micro-poço quando as duas micro-matrizes entram em contacto. No entanto, trata-se um processamento que envolve vários passos, tornando-o complexo. Além disso, tal como nas placas de poços comerciais, os materiais estão rodeados por paredes e, devido ao seu reduzido tamanho, não é também possível controlar o micro-ambiente em cada região que contém um biomaterial ou uma combinação de biomateriais.Khademhosseini (12) has developed an expedited analysis device containing micro-array shaped micro-wells and a corresponding printed template for combinatorial analysis. The arrangement of the devices for depositing the biomaterials for rapid analyzes corresponds to the arrangement of the micro-wells, such that each reservoir addresses a single micro-well when the two micro-arrays come into contact. However, this is a processing that involves several steps, making it complex. In addition, as in commercial well plates, the materials are surrounded by walls and, because of their small size, it is also not possible to control the micro-environment in each region containing a biomaterial or a combination of biomaterials.
Um outro método (13) propõe uma biblioteca de superfícies com topografias distintas geradas através do uso de algoritmos matemáticos. As bibliotecas e topografias geradas nas superfícies podem ser aplicadas para compreender a relação entre a resposta celular e o relevo dos substratos de modo a encontrar superfícies com desempenhos optimizados ou especiais. Neste método toda a plataforma é imersa apenas num tipo de meio de cultura, não havendo total independência entre as regiões com diferentes topografias, que são unicamente construídas numa lógica bidimensional. 4Another method (13) proposes a library of surfaces with distinct topographies generated through the use of mathematical algorithms. Surface generated libraries and topographies can be applied to understand the relationship between cell response and substrate relief in order to find surfaces with optimized or special performances. In this method the whole platform is immersed only in a type of culture medium, not having total independence between the regions with different topographies, which are only constructed in a two-dimensional logic. 4
Sumário da invençãoSUMMARY OF THE INVENTION
De forma a ultrapassar os problemas mencionados, é desejável desenvolver-se um método que permita efectuar a deposição e combinação de diferentes materiais biológicos com diferentes meios e condições de cultura, num único substrato, de acordo com a reivindicação 1.In order to overcome the above-mentioned problems, it is desirable to develop a method for depositing and combining different biological materials with different culture media and conditions, in a single substrate, according to claim 1.
Noutro aspecto, a presente invenção visa desenvolver substratos úteis para a aplicação do referido método, de acordo com a reivindicação 4 .In another aspect, the present invention aims to develop substrates useful for the application of said method, according to claim 4.
Outro aspecto da presente invenção diz respeito a produtos ou artigos compreendendo os biomateriais aplicados sobre substratos, de acordo com a reivindicação 12.Another aspect of the present invention relates to products or articles comprising the substrates applied biomaterials according to claim 12.
Finalmente, num outro aspecto, a presente invenção visa desenvolver a utilização dos produtos os artigos acima mencionados em aplicações de análise de caracterização dos materiais biológicos neles contidos, bem como em aplicações em engenharia de tecidos, de acordo com, respectivamente, as reivindicações 13 e 14.Finally, in a further aspect, the present invention aims to develop the use of the above-mentioned articles in characterization analysis applications of the biological materials contained therein, as well as in tissue engineering applications, according to claims 13 and 14.
Descrição geral da Invenção A presente invenção diz respeito a um processo de deposição de biomateriais em substratos com elevada repelência a líquidos padronizados com zonas molháveis que permitem a produção de chips de matrizes de materiais e meios biológicos. Os volumes líquidos são confinados em determinadas regiões devido aos fortes contrastes de tensão superficial existente entre as diferentes regiões definidas no substrato, permitindo assim depositar de forma independente, rigorosa e controlada os biomateriais, materiais biológicos, agentes bioactivos e meios de cultura desejáveis. 5 1. SubstratosThe present invention relates to a process for depositing biomaterials on substrates with high repellency to standardized liquids with wettable zones that allow the production of matrix chips of biological materials and media. Liquid volumes are confined in certain regions due to the strong contrasts of surface tension existing between the different regions defined on the substrate, thus allowing the independent, rigorous and controlled deposition of the desired biomaterials, biological materials, bioactive agents and culture media. 5 1. Substrates
No âmbito da presente invenção, as superfícies utilizadas como substrato para a deposição dos biomateriais devem apresentar ângulos de contacto com a água (WCA) superiores a 110°, mais particularmente 150°. Estes ângulos de contacto permitem que os materiais fiquem restritos à zona molhável da plataforma devido ao contraste de tensão superficial com a zona repelente a água, que exerce uma força contrária à força gravítica que permitiria que a gota se espalhasse na zona circundante à zona molhável.In the context of the present invention, surfaces used as substrate for the deposition of the biomaterials should have water contact angles (WCA) greater than 110ø, more particularly 150ø. These contact angles allow the materials to be restricted to the wettable zone of the platform due to the contrast of surface tension with the water repellent zone which exerts a force contrary to the gravitational force which would allow the droplet to spread in the vicinity of the wettable zone.
Os materiais para a preparação de substratos repelentes a líquidos podem ser baseados em polímeros, naturais ou sintéticos, metais, materiais inorgânicos ou combinação entre eles. Depois de processados, os substratos podem sofrer tratamentos subsequentes utilizando processos químicos, físicos, mecânicos ou processos que envolvam a combinação destes.Materials for the preparation of liquid repellent substrates may be based on natural or synthetic polymers, metals, inorganic materials or a combination thereof. After being processed, the substrates may undergo further treatments using chemical, physical, mechanical processes or processes involving the combination thereof.
As superfícies que apresentam ângulos de contacto acima de 150° são designadas por super-hidrofóbicas e devem apresentar topografia exibindo rugosidade à micro- e nano-escalas. 0 substrato repelente a líquidos pode apresentar qualquer geometria, incluindo a de um polígono regular e irregular, circular ou elipsoidal, sendo as mais comuns as formas em quadrados, círculos ou rectângulos. A variabilidade geométrica permite que se realize manipulações no substrato e materiais depositados destruição ou modificação dos mesmos, uma vez que assim podem ser introduzidos em equipamentos com diferentes geometrias e dimensões.Surfaces with contact angles above 150 ° are designated as superhydrophobic and must have topography showing roughness at the micro- and nano-scales. The liquid repellent substrate may have any geometry, including that of a regular and irregular, circular or ellipsoidal polygon, the most common being squares, circles or rectangles. The geometric variability allows manipulations in the substrate and deposited materials to be destroyed or modified, since they can thus be introduced in equipment with different geometries and dimensions.
No âmbito da presente invenção, qualquer superfície repelente a líquidos poderá ser utilizada, desde que não interfira com as propriedades químicas da formulação líquida. São preferíveis as superfícies que sejam o mais inerte possível do ponto de visto 6 biológico, de forma a evitar interacções com os materiais. Tal inclui superfícies compostas por poliolefinas tratadas de modo a haver um aumento de micro- e nano-rugosidade, bem como vidros e cerâmicos tratados com moléculas hidrofóbicas ou com revestimentos com elevado teor de carbono, como por exemplo, nanotubos de carbono. A preparação das superfícies de elevada repelência a líquidos, nomeadamente super-hidrofóbicas, é realizada através de técnicas conhecidas (14-15) . Neste sentido, duas abordagens têm sido exploradas: (i) produção de materiais com superfícies com estrutura de textura controlada e (ii) produção de materiais com superfícies de estrutura aleatória.Within the scope of the present invention, any liquid repellent surface may be used provided that it does not interfere with the chemical properties of the liquid formulation. Surfaces that are as inert as possible from the biological viewing point are preferable, so as to avoid interactions with the materials. This includes surfaces composed of polyolefins treated so as to have an increase of micro- and nano-roughness, as well as glass and ceramics treated with hydrophobic molecules or with high carbon coatings, such as carbon nanotubes. The preparation of highly repellent surfaces to liquids, namely superhydrophobic, is carried out by known techniques (14-15). In this sense, two approaches have been explored: (i) production of materials with surfaces with controlled texture structure and (ii) production of materials with surfaces of random structure.
Nas primeiras, as características rugosas são definidas utilizando técnicas como a litografia ou microfabricação. No caso dos materiais com uma estrutura de superfície aleatória, é possível recorrer-se a uma grande variedade de metodologias, incluindo processos envolvendo modificações físicas e químicas de superfícies de modo a obter superfícies com rugosidade. Exemplos de modificações químicas e físicas para conseguir rugosidade incluem o revestimento de camadas de fluoropolímeros, deposição de nanotubos de carbono, separação de fases, crescimento de cristais, agregação de partículas, deposição de vapor, sublimação e "electrospinning".In the former, the rough features are defined using techniques such as lithography or microfabrication. In the case of materials having a random surface structure, a wide variety of methodologies may be employed, including processes involving physical and chemical modifications of surfaces in order to obtain roughened surfaces. Examples of chemical and physical modifications to achieve roughness include coating of fluoropolymers layers, deposition of carbon nanotubes, phase separation, crystal growth, particle aggregation, vapor deposition, sublimation and " electrospinning ".
Em particular, metodologias simples baseadas em separação de fases podem ser utilizadas para modificar polímeros sintéticos em substratos com elevada repelência a líquidos. Numa realização preferencial da presente invenção o tratamento das superfícies é efectuado de modo a aumentar a sua micro- e nano-rugosidade. Esta característica permite que, caso seja desejável, não ocorra subtancial indução da citotoxicidade das superfícies. Para aumentar a sua hidrofobicidade, estas podem ser imergidas em 7 soluções fluoradas ou com outras moléculas que induzam uma maior hidrofobicidade. 2. Tratamento e padronização do substratoIn particular, simple methodologies based on phase separation can be used to modify synthetic polymers on substrates with high liquid repellency. In a preferred embodiment of the present invention the treatment of surfaces is effected in order to increase its micro- and nano-roughness. This feature allows that, if desired, there is no subtancial induction of cytotoxicity of the surfaces. To increase their hydrophobicity, they can be immersed in 7 fluorinated solutions or with other molecules that induce greater hydrophobicity. 2. Substrate treatment and standardization
No âmbito da presente invenção, os materiais biológicos e/ou combinações de materiais biológicos e meios de cultura são depositados em regiões determinadas e tratadas de superfícies repelentes a água anteriormente descritas, tirando partido das diferenças da energia superficial existentes entre as regiões dessa superfície.Within the scope of the present invention, the biological materials and / or combinations of biological materials and culture media are deposited in predetermined and treated regions of water repellent surfaces described above, taking advantage of the differences in surface energy existing between the regions of that surface.
Neste sentido, é necessário realizar o tratamento das superfícies de forma a criar as referidas diferenças de tensão superficial ou seja, é necessário padronizar o substrato. Desta forma, a deposição de diferentes combinações de formulações líquidas, contendo os biomateriais de interesse, é efectuada nas regiões hidrofílicas do substrato repelente. 0 forte contraste entre a tensão de superficial das regiões molháveis e das regiões repelentes da plataforma impedem qualquer vazamento dos líquidos para fora das regiões molháveis.In this sense, it is necessary to carry out the treatment of the surfaces in order to create said differences of surface tension ie it is necessary to standardize the substrate. In this way, the deposition of different combinations of liquid formulations, containing the biomaterials of interest, is carried out in the hydrophilic regions of the repellent substrate. The strong contrast between the surface tension of the wettable regions and the repellent regions of the platform prevents any leakage of the liquids out of the wettable regions.
Para a modificação da energia superficial de superfícies existem técnicas que permitem a deposição de moléculas hidrofóbicas, incluindo a auto-organização de monocamadas de alcanotiois, silanos orgânicos e ácidos gordos.For the modification of the superficial energy of surfaces there are techniques that allow the deposition of hydrophobic molecules, including the self-organization of monolayers of alkanotiools, organic silanes and fatty acids.
Os substratos com elevada repelência a líquidos ou super-hidrofóbicos podem ser padronizados utilizando várias técnicas de tratamento superficial, como já foi descrito anteriormente noutros trabalhos (16-17). Nesta invenção as regiões molháveis são preferencialmente obtidas utilizando radiação UVO ou por plasma. Alternativamente, ainda considerando outras técnicas de modificação superficial, poderão ser usados métodos como tratamento Corona ou deposição física de vapor. Desta forma, 8 regiões são obtidas através da colocação de máscaras poliméricas ou metálicas com regiões geometricamente vazias/abertas. A máscara protege unicamente as regiões da superfície repelente seleccionadas e assim as regiões expostas da parte aberta da máscara são as que sofrem tratamento superficial.Substrates with high liquid or superhydrophobic repellency can be standardized using various surface treatment techniques, as previously described in other works (16-17). In this invention the wettable regions are preferably obtained using UVO or plasma radiation. Alternatively, still considering other surface modification techniques, methods such as Corona treatment or physical vapor deposition may be used. In this way, 8 regions are obtained through the placement of polymeric or metallic masks with geometrically empty / open regions. The mask only protects the regions of the selected repellent surface and thus the exposed regions of the open part of the mask are those that undergo surface treatment.
Em alternativa, a obtenção de substratos padronizados, no âmbito da presente invenção, realiza-se através da protecção de regiões do substrato, que se pretende que sejam molháveis, com fita adesiva. De seguida executa-se o procedimento de tratamento de superfície para aumentar a hidrofobicidade, para transformar as regiões não protegidas em superfície repelente.Alternatively, the obtaining of standard substrates within the scope of the invention is carried out by protecting regions of the substrate which are intended to be wettable with adhesive tape. Thereafter the surface treatment procedure is performed to increase the hydrophobicity, to transform the unprotected regions into a repellent surface.
As regiões protegidas mantêm a molhabilidade do substrato não tratado. No caso da superfície a ser tratada ser transparente a vantagem desta metodologia é a de se obter regiões modificadas transparentes, o que pode ser relevante em técnicas de análise de imagem.The protected regions maintain the wettability of the untreated substrate. In case the surface to be treated is transparent the advantage of this methodology is to obtain transparent modified regions, which may be relevant in image analysis techniques.
As regiões molháveis podem acomodar volumes de líquidos devido ao contraste de molhabilidade com as regiões envolventes do substrato. 3. Deposição de biomateriaisThe wettable regions can accommodate volumes of liquids due to the wettability contrast with the surrounding regions of the substrate. 3. Deposition of biomaterials
De acordo com o processo da presente invenção, os biomateriais encontram-se em solução ou em suspensão num meio liquido que é depositado na superfície do substrato tratado e padronizado.According to the process of the present invention, the biomaterials are in solution or suspended in a liquid medium which is deposited on the surface of the treated and standardized substrate.
Diferentes combinações de formulações líquidas podem ser depositadas em diferentes regiões hidrofílicas, definidas pelo tratamento e padronização referidos anteriormente, do substrato. 0 forte contraste entre a tensão de superficial das regiões molháveis hidrofílicas e das regiões repelentes hidrofóbicas do 9 substrato tratado impedem qualquer vazamento e mistura dos líquidos, contendo as soluções ou suspensões dos biomateriais, para fora das regiões molháveis.Different combinations of liquid formulations may be deposited in different hydrophilic regions, defined by the treatment and standardization mentioned above, of the substrate. The strong contrast between the surface tension of the hydrophilic wettable regions and the hydrophobic repellent regions of the treated substrate prevents any leakage and mixing of the liquids containing solutions or suspensions of the biomaterials out of the wettable regions.
Gotas de formulação liquida são depositadas sobre as regiões hidrofilicas ou super-hidrofilicas do substrato tratado.Droplets of liquid formulation are deposited onto the hydrophilic or superhydrophilic regions of the treated substrate.
As regiões hidrofilicas ou superhidrofilicas, também chamadas de zonas ou regiões molháveis, são zonas de superfície que apresentam ângulos de contacto com água de 0 o a 80°, preferencialmente inferiores a 50°. A deposição das gotas pode ser feita utilizando métodos conhecidos no estado da arte, incluindo dispersão, atomização, deposição electrostática, por pipetagem, tecnologia jacto-tinta ou outro tipo de tecnologias que possam gerar gotas líquidas.Hydrophilic or superhydrophilic regions, also called wettable regions or regions, are surface regions having 0 to 80 ° water contact angles, preferably less than 50 °. Droplet deposition may be made using methods known in the art, including dispersion, atomization, electrostatic deposition, pipetting, jet-ink technology or other technologies which may generate liquid droplets.
No âmbito da presente invenção, os biomateriais a serem utilizados devem ser dissolvidos ou suspensos em soluções de base aquosas. compreendem proteínas, e polímeros sintéticos, bem como combinações dosIn the context of the present invention, the biomaterials to be used must be dissolved or suspended in aqueous base solutions. comprise proteins, and synthetic polymers, as well as combinations of the
Neste sentido, os biomateriais polissacarídeos, ácidos nucleicos incluindo poliésteres ou derivados, referidos biomateriais.In this regard, the biomaterials polysaccharides, nucleic acids including polyesters or derivatives, referred to biomaterials.
Exemplos de poliésteres são policaprolactona.Examples of polyesters are polycaprolactone.
Os biomateriais encontram-se solubilizados ou dispersos em soluções de base aquosa, como por exemplo, na forma de emulsão. Também podem ser usados outros solventes menos convencionais, tais como os líquidos iónicos, que permitem dissolver substâncias tais como celulose, seda ou quitina. Tal como com as soluções aquosas, neste caso poderão também ser depositadas suspensões e soluções saturadas. 10Biomaterials are solubilized or dispersed in aqueous solutions, for example in the form of an emulsion. Other less conventional solvents, such as ionic liquids, may also be used, which enable the dissolution of substances such as cellulose, silk or chitin. As with the aqueous solutions, suspensions and saturated solutions may also be deposited therein. 10
Exemplos de líquidos iónicos são baseados em 1-alquilimidazole e l-butil-3-metilmidazol e 1-butil- 3-metilimidazólio.Examples of ionic liquids are based on 1-alkylimidazole and 1-butyl-3-methylmidazole and 1-butyl-3-methylimidazolium.
Nesse sentido, encontram-se compreendidas no âmbito da presente invenção soluções de qualquer polímero natural ou sintético, combinado com moléculas de baixo ou alto peso molecular, como genes, ácidos nucleicos, péptidos, fármacos e factores de cresimento, que se encontre solubilizado ou suspendido em soluções de base aquosa, com gamas de pH compreendidos entre 2 e 10, ou em líquidos iónicos.Accordingly, solutions of any natural or synthetic polymer combined with low or high molecular weight molecules, such as genes, nucleic acids, peptides, drugs and growth factors, which are solubilized or suspended are encompassed within the scope of the present invention in aqueous solutions with pH ranges of 2 to 10 or in ionic liquids.
Exemplos de soluções são soluções de quitosano numa gama de concentrações compreendida entre 0.5% e 4% (massa/volume) em ácido acético dissolvido em água a concentração 1% (volume/volume) poderão ser dispensadas nas zonas molháveis da plataforma através de pipetagem. Podem depois ser obtidas estruturas porosas através de liofilização de toda a estrutura. A forma e a extensão de dispersão do líquido confinado nas regiões hidrofílicas/ super-hidrofílicas dependem do volume do líquido depositado e da molhabilidade da região. Desta forma, a presente invenção possibilita a deposição de volumes com um volume superior ao do cubo da dimensão característica da região, devido ao forte contraste da tensão de superfície do substrato tratado. O controlo da altura dos biomateriais depositados permite trabalhar mais uma variável espacial em relação aos substratos do estado da técnica: o substrato tratado, de acordo com a presente invenção, possibilita obter um controlo estrutural dos biomateriais.Examples of solutions are chitosan solutions in a concentration range of 0.5% to 4% (mass / volume) in acetic acid dissolved in water at a concentration of 1% (volume / volume) may be dispensed into the wettable zones of the platform by pipetting. Porous structures can then be obtained by lyophilization of the entire structure. The shape and extent of dispersion of the confined liquid in the hydrophilic / superhydrophilic regions depends on the volume of the deposited liquid and the wettability of the region. In this way, the present invention enables the deposition of volumes with a volume greater than the cube of the characteristic size of the region, due to the strong contrast of the surface tension of the treated substrate. The height control of the deposited biomaterials allows to work one more spatial variable in relation to the substrates of the prior art: the treated substrate according to the present invention makes it possible to obtain a structural control of the biomaterials.
Assim, é possível, por exemplo, conceber estruturas porosas que sejam compatíveis com migração e proliferação celulares. Neste 11 caso, cada poro deve ter, no mínimo, 100 pm de diâmetro, com um número de poros significativo em relação ao volume da própria estrutura.Thus, it is possible, for example, to design porous structures that are compatible with cell migration and proliferation. In this case, each pore should be at least 100 Âμm in diameter, with a number of pores significant in relation to the volume of the structure itself.
Além disso, a possibilidade do controlo da altura da estrutura permite o estudo de interfaces entre biomateriais dispostos em camadas, das quais a altura e composição poderão variar. Note-se também que as células na maioria dos tecidos humanos estão em ambientes tridimensionais (matriz extra-celular) onde a razão entre a largura, comprimento e altura em geral é semelhante. Tal não acontece nos substratos do estado da técnica, uma vez que, mesmo quando os materiais depositados são considerados tridimensionais, a sua altura é geralmente muito inferior relativamente às dimensões do material em contacto directo com o substrato (largura e comprimento). O volume das gotas pode variar entre 0.5 pL e 15 pL, dependendo do tamanho das regiões molháveis. Experimentalmente concluiu-se que são estes valores que correspondem aos mínimos e máximos para as dimensões das regiões molháveis consideradas para a presente invenção (200 pm-3mm).In addition, the possibility of height control of the structure allows the study of interfaces between biomaterials arranged in layers, of which height and composition may vary. It should also be noted that cells in most human tissues are in three-dimensional environments (extra-cellular matrix) where the ratio of width, length and height in general is similar. This is not the case in the substrates of the prior art, since even when the deposited materials are considered three-dimensional, their height is generally much lower relative to the dimensions of the material in direct contact with the substrate (width and length). The volume of the droplets may vary between 0.5 pL and 15 pL, depending on the size of the wettable regions. It has now been found that these values correspond to the minimum and maximum for the dimensions of the wettable regions considered for the present invention (200 pm-3 mm).
Estes valores são reduzidos o suficiente para que a aplicação possa ter vantagens em termos de espaço e quantidade de material usado em relação aos métodos convencionais, como processamento dos materiais em placas de poços comerciais. No entanto, são volumes suficientemente elevados para que se possa controlar estruturalmente as amostras em termos de porosidade ou altura representativa em relação às regiões molháveis. O tamanho das regiões molháveis pode ser dimensionado de forma intermédia, entre as dimensões dos materiais obtidos através das técnicas descritas no estado da arte referente ao fabrico de micromatrizes, e a dimensão dos poços das placas de cultura 12 celular comerciais geralmente usadas para análise individual de biomateriais.These values are reduced enough that the application may have advantages in terms of space and quantity of material used over conventional methods, such as processing of materials in commercial well plates. However, they are volumes high enough so that the samples can be structurally controlled in terms of porosity or representative height relative to the wettable regions. The size of the wettable regions may be dimensioned intermediate between the dimensions of the materials obtained by the techniques described in the art relating to the manufacture of microarrays and the size of the wells of the commercial cell culture plates generally used for individual analysis of biomaterials.
Desta forma, os substratos da presente invenção podem ser utilizados em aplicações mais vastas que os substratos modificados existentes no estado da arte ou que as placas de cultura comercialmente disponíveis.In this way, the substrates of the present invention may be used in broader applications than the existing modified substrates in the art or that commercially available culture plates.
As dimensões das regiões molháveis entre 200ym e 3mm, e de preferência entre 400ym e 1.5mm, poderão simultaneamente permitir obter-se substratos com um elevado número de biomateriais depositados e conseguir-se manipular, analisar e caracterizar individualmente as diferentes regiões. A margem espacial entre cada região molhável deverá ser superior a 500ym e inferior a 3mm, visto que permite uma eficiente separação dos materiais, evitando a sua junção devido a afinidade electrostática ou alguma inclinação decorrente do manuseamento do substrato. 0 contraste de molhabilidades entre as regiões molháveis e as zonas repelentes permite um manuseamento das superfícies ou substratos tratados, incluindo a sua inclinação, sem que haja misturas dos elementos depositados nas regiões molháveis.The dimensions of the wettable regions between 200 and 3 mm, and preferably between 400 and 1.5 mm, may simultaneously allow substrates with a high number of deposited biomaterials to be obtained and the individual regions individually manipulated, analyzed and characterized. The space margin between each wettable region should be greater than 500ym and less than 3mm, as it allows an efficient separation of the materials, avoiding their junction due to electrostatic affinity or some inclination resulting from the handling of the substrate. The contrast of wettability between the wettable regions and the repellent zones enables the treated surfaces or substrates to be handled, including their inclination, without mixing the deposited elements in the wettable regions.
Os biomateriais existentes nas porções líquidas aderem à superfície nas regiões molháveis por adsorção, evaporação/ separação do líquido do solvente, reticulação ou através de outro método que induza a insolubilidade. 4. Produtos ou artigos obtidosThe biomaterials in the liquid portions adhere to the surface in the wettable regions by adsorption, evaporation / separation of the liquid from the solvent, cross-linking or by another insolubility inducing method. 4. Products or articles obtained
Os produtos ou artigos da presente invenção resultam da deposição dos biomateriais nas zonas molháveis dos subtratos tratados de acordo com a presente invenção. 13 4.1 Materiais bidimensionaisThe products or articles of the present invention result from the deposition of the biomaterials in the wettable zones of the subtrees treated in accordance with the present invention. 4.1 Two-dimensional materials
Numa perspectiva de análise bidimensional, filmes de biomateriais podem ser obtidos pela deposição sucessiva de polielectólitos, pela técnica conhecida por "layer-by-layer" (LbL) ou camada sobre camada, à superfície dos substratos tratados de acordo com a presente invenção. A tecnologia LbL permite produzir revestimentos nano-estruturados utilizando poli-electrólitos com cargas opostas (negativas e positivas). Para tal é feita uma deposição sequencial de soluções de poli-electrólitos com cargas opostas intercaladas por lavagem com uma solução de base aquosa, por exemplo uma solução de 0.1M de NaCl em água destilada. No final, são obtidos filmes de biomateriais insolúveis em água, ligados meramente por interacções electrostáticas, sem recurso a outros compostos.From a two-dimensional analysis perspective, biomaterial films can be obtained by the successive deposition of polyelectolites, by the technique known as " layer-by-layer " (LbL) or layer on layer, to the surface of the substrates treated in accordance with the present invention. LbL technology allows the production of nano-structured coatings using poly-electrolytes with opposing charges (negative and positive). For this purpose a sequential deposition of poly-electrolyte solutions with opposite charges is intercalated by washing with an aqueous base solution, for example a solution of 0.1 M NaCl in distilled water. At the end, films of water-insoluble biomaterials, bound merely by electrostatic interactions, without the use of other compounds are obtained.
No âmbito da presente encontra-se prevista a deposição de suspensões celulares em filmes e revestimentos produzidos por diferentes combinações de polímeros, especialmente polissacarideos (incluindo quitosano, ácido hialurónico, heparina, alginato ou sulfato de condroitina).The present invention provides for the deposition of cell suspensions in films and coatings produced by different combinations of polymers, especially polysaccharides (including chitosan, hyaluronic acid, heparin, alginate or chondroitin sulfate).
Desta forma, e de acordo com a presente invenção, é possível efectuar a deposição de diferentes polieletrólitos em multicamadas com diferentes espessuras sendo possível realizar-se numerosas possibilidades de combinações de materiais, número de multicamadas e variáveis de processamento (por exemplo, força iónica, pH, concentração de polieletrólitos, reticulação posterior do filme obtido).In this way and in accordance with the present invention, it is possible to carry out the deposition of different polyether polyols in multilayers of different thicknesses, it being possible to carry out numerous possibilities of combinations of materials, number of multilayers and processing variables (eg ionic strength, pH, polyelectrolyte concentration, subsequent cross-linking of the obtained film).
No que diz respeito aos materiais depositados bidimensionalmente sobre os substratos tratados, a presente invenção prevê a deposição de biomateriais de diferentes origins, como por 14 exemplo, biomateriais compósitos resultantes de combinações de polímeros com fases inorgânicas ou metálicas (como nanopartícuias).With respect to materials deposited two-dimensionally on treated substrates, the present invention provides for the deposition of biomaterials of different origins, such as, for example, composite biomaterials resulting from combinations of polymers with inorganic or metallic phases (such as nanoparticles).
Assim, é possível efectuar a deposição de líquidos contendo os dois elementos nas regiões molháveis da plataforma e procedendo à solidificação do nanocompósito (por exemplo, por evaporação ou sublimação do solvente) e, se necessário, a mais algum tratamento (por exemplo, reticulação ou neutralização).Thus, it is possible to effect the deposition of liquids containing the two elements in the wettable regions of the platform and proceeding to the solidification of the nanocomposite (for example, by evaporation or sublimation of the solvent) and, if necessary, further treatment (e.g. neutralization).
Para além de sistemas macromoleculares, a deposição de outros materiais encontram-se previstos no âmbito da presente invenção, como por exemplo materiais de interesse no estudo da resposta celular. Por exemplo, péptidos, enzimas, moléculas poliméricas de baixo peso molecular auto-organizáveis (resultando em hidrogéis de baixo peso molecular), e combinações entre estruturas de baixo peso molecular poderão ser depositados em forma de solução/precipitado nas regiões hidrofílicas, seguidos da deposição de suspensões celulares. A deposição de anticorpos nas regiões molháveis (por exemplo, por ligação covalente à plataforma) para investigar a adesão de diferentes tipos celulares poderá também ser realizadas utilizando diferentes combinações de anticorpos e tipos celulares. 4.2 Materiais tridimensionaisIn addition to macromolecular systems, the deposition of other materials is provided within the scope of the present invention, for example materials of interest in the study of the cellular response. For example, peptides, enzymes, self-organizing low molecular weight polymer molecules (resulting in low molecular weight hydrogels), and combinations of low molecular weight structures may be deposited as a solution / precipitate in the hydrophilic regions, followed by deposition of cell suspensions. Deposition of antibodies in the wettable regions (for example, by covalent attachment to the platform) to investigate adhesion of different cell types may also be performed using different combinations of antibodies and cell types. 4.2 Three-dimensional materials
Além das interacções em ambiente bidimensional como as descritas anteriormente entre células e proteínas pré-adsorvidas ou filmes bidimensionais, no âmbito do desenvolvimento de biomateriais poderá também ser desejável o estudo de materiais em forma tridimensional, visto que estes mimetizam com mais rigor o ambiente nas quais as células se encontram em condições fisiológicas: a matriz extra-celular. 15 A deposição de biomateriais nas regiões molháveis do substrato, de acordo com a presente invenção, pode ser feita de forma a que após o seu processamento os biomateriais finais adquiriram uma configuração tridimensional, incluindo estruturas porosas ou hidrogéis adequadas para engenharia de tecidos e cultura celular, através de técnicas, como por exemplo, liofilização, lixiviação de partículas ou reticulação.In addition to interactions in a two-dimensional environment such as those described above between cells and preadsorbed proteins or two-dimensional films, in the scope of biomaterial development it may also be desirable to study materials in three-dimensional form, since they mimic more rigorously the environment in which the cells are under physiological conditions: the extra-cellular matrix. The deposition of biomaterials in the wettable regions of the substrate according to the present invention can be done so that after processing the final biomaterials have acquired a three-dimensional configuration including porous structures or hydrogels suitable for tissue engineering and cell culture , by techniques such as, for example, lyophilization, particle leaching or cross-linking.
As construções tridimensionais ficam mecanicamente restritas na região hidrofílica/ superhidrofílica do substrato devido à elevada repelência a líquidos das regiões circundantes. Pretende-se que após este processamento os biomateriais sejam testados para aplicações em engenharia de tecidos, desenvolvimento de implantes biodegradáveis e não biodegradáveis, libertação de agentes bioactivos e revestimentos de materiais para implante. A aplicação das superfícies tratadas de acordo com a presente invenção, no estudo de adesão de proteínas e correspondente resposta celular, a aplicação relaciona-se com a modificação superficial de biomateriais. Quando um material é implantado, a primeira reacção ocorrente é a adsorção de proteínas à superfície do material, às quais posteriormente as células se ligarão através das integrinas presentes na sua membrana celular, que poderão reconhecer domínios peptídicos das proteínas adsorvidas. Assim, o pré-tratamento de biomateriais bidimensionais ou tridimensionais com proteínas com domínios de adesão celular (como a fibronectina humana (HFN)) é um meio de aumentar a afinidade de um biomaterial com as células circundantes, potenciando uma mais fácil e eficiente formação de tecido. Pelo contrário, poderá ser desejada em alguns tipos de biomateriais, como enxertos vasculares, a baixa adesão de células relacionadas com a coagulação sanguínea (como plaquetas). Nesse caso, poderão ser efectuados estudos de 16 adsorção de proteínas ou outras moléculas que potenciem a baixa adesão desses tipos celulares. 4.2.1 Estruturas porosasThe three-dimensional constructions are mechanically restricted in the hydrophilic / superhydrophilic region of the substrate because of the high liquid repellency of the surrounding regions. It is intended that after this processing the biomaterials be tested for tissue engineering applications, development of biodegradable and non-biodegradable implants, release of bioactive agents and coatings of implant materials. Application of the treated surfaces according to the present invention, in the study of protein adhesion and corresponding cellular response, the application relates to surface modification of biomaterials. When a material is implanted, the first occurring reaction is the adsorption of proteins to the surface of the material, to which the cells will later bind through the integrins present in their cell membrane, which may recognize peptide domains of the adsorbed proteins. Thus, pretreatment of two-dimensional or three-dimensional biomaterials with proteins with cell adhesion domains (such as human fibronectin (HFN)) is a means of increasing the affinity of a biomaterial with the surrounding cells, enhancing an easier and more efficient formation of fabric. On the contrary, the low adhesion of cells related to blood coagulation (such as platelets) may be desired in some types of biomaterials, such as vascular grafts. In this case, adsorption studies of proteins or other molecules that potentiate the low adhesion of these cell types may be carried out. 4.2.1 Porous structures
Estruturas porosas para engenharia de tecidos ou cultura celular são biomateriais onde se induz porosidade. Os poros deverão estar interconectados e ter dimensão suficiente (diâmetro superior a 100 μπι) , de modo a permitir a migração e proliferação celular dentro da estrutura.Porous structures for tissue engineering or cell culture are biomaterials where porosity is induced. The pores must be interconnected and have sufficient size (diameter greater than 100 μπι), in order to allow cell migration and proliferation within the structure.
No caso de estruturas porosas, soluções de base aquosa com precursores monoméricos ou poliméricos podem ser depositados em regiões hidrofilicas/superhidrofilicas em volumes que variam entre 0.5 pL e 15 pL. Estas estruturas podem ser obtidas por diversos métodos, entre os quais liofilização e reticulação, usando combinações de polímeros naturais ou sintéticos em solução, incluindo polissacarideos, poliésteres e proteínas. O primeiro contacto das células em ambiente fisiológico com um biomaterial dá-se com a sua superfície. No entanto, nem sempre existe um equilíbrio entre as propriedades estruturais do biomaterial implantável e das suas propriedades de superfície. Assim, de modo a obter o efeito desejado no comportamento celular, realizam-se opcionalmente tratamentos superficiais por adsorção de proteínas, ligação química de grupos químicos favoráveis ou inibidores de adesão celular, tratamentos físicos para indução de topografia desejada, entre outros.In the case of porous structures, aqueous base solutions with monomeric or polymeric precursors may be deposited in hydrophilic / superhydrophilic regions in volumes ranging from 0.5 pL to 15 pL. These structures can be obtained by a variety of methods, including lyophilization and cross-linking, using combinations of natural or synthetic polymers in solution, including polysaccharides, polyesters and proteins. The first contact of the cells in a physiological environment with a biomaterial is with its surface. However, there is not always a balance between the structural properties of the implantable biomaterial and its surface properties. Thus, in order to achieve the desired effect on cell behavior, surface treatments are optionally carried out by protein adsorption, chemical bonding of favorable chemical groups or inhibitors of cell adhesion, physical treatments for induction of desired topography, among others.
Tratamentos posteriores às estruturas poliméricas porosas podem ser conseguidos através da introdução de outros volumes líquidos em cada uma das estruturas, como, por exemplo, através da adsorção de proteínas em solução. Nestes tratamentos pretende-se, em geral, a inserção de domínios peptídicos de adesão celular ou a modificação química ou topográfica para o aumento 17 da adesão, proliferação ou algum tipo especifico de resposta celular.Subsequent treatments to the porous polymeric structures can be achieved by introducing other liquid volumes into each of the structures, such as by adsorption of proteins in solution. In such treatments the insertion of peptide domains of cellular adhesion or the chemical or topographical modification for the increase of the adhesion, proliferation or some specific type of cellular response is usually sought.
Outros métodos para obter porosidade nas estruturas poliméricas, além da liofilização, poderão passar pela introdução de partículas lixiviáveis na formulação inicial. Partículas inorgânicas (por exemplo, de cloreto de sódio ou açúcar) ou poliméricas (por exemplo, de poli(caprolactona)) com gamas de tamanho de poro poderão ser introduzidas em formulações poliméricas. Durante a imersão do substrato em solventes específicos para as partículas (por exemplo água no caso das partículas de cloreto de sódio ou açúcar) estas são removidas restando apenas a fracção polimérica insolúvel, que apresentará no final uma estrutura tridimensional porosa. 0 tamanho e quantidade de poros são controlados pela dimensão e quantidade de partículas que serão lixiviadas.Other methods for obtaining porosity in the polymeric structures, in addition to lyophilization, may be the introduction of leachable particles into the initial formulation. Inorganic (e.g., sodium chloride or sugar) or polymeric (e.g., poly (caprolactone)) particles with pore size ranges may be introduced into polymeric formulations. During immersion of the substrate in specific solvents for the particles (eg water in the case of sodium chloride or sugar particles) these are removed leaving only the insoluble polymer fraction, which will ultimately have a porous three-dimensional structure. The size and amount of pores are controlled by the size and amount of particles to be leached.
Num outro aspecto da presente invenção, podem ser também depositadas soluções de polissacarídeos ou outros polímeros metacrilatados (por exemplo, quitosano ou dextrano) nos padrões hidrofílicos/ superhidrofílicos, que são depois reticulados e fixados por radiação ultravioleta. Este método de processamento de biomateriais permite uma maior compatibilidade com encapsulamento celular, ausência de produtos tóxicos apresentada, por exemplo, pela maioria dos reticulantes químicos, e ainda maior reproducibilidade e rapidez para obter os biomateriais na sua forma final. 4.2.2 HidrogéisIn another aspect of the present invention, solutions of polysaccharides or other methacrylated polymers (e.g., chitosan or dextran) may also be deposited in the hydrophilic / superhydrophilic patterns, which are then cross-linked and fixed by ultraviolet radiation. This biomaterial processing method allows for greater compatibility with cellular encapsulation, absence of toxic products presented, for example, by most chemical crosslinkers, and even greater reproducibility and speed to obtain the biomaterials in their final form. 4.2.2 Hydrogels
Hidrogeis são materiais constituídos por cadeias poliméricas hidrofílicas, que quando reticuladas formam uma rede com elevada capacidade de absorção de água. Biomateriais sob a forma de hidrogel podem ser preparados usando métodos de reticulação química e física. Nesta invenção, a obtenção dos hidrogéis 18 realiza-se preferencialmente após a deposição do precursor monomérico/ polimérico no padrão hidrofílico/ superhidrofilico do substrato, à semelhança do descrito anteriormente para as estruturas porosas. A deposição é seguida da reticulação da solução monomérica/ polimérica. Estas estruturas são úteis no desenvolvimento de biomateriais implantáveis e libertação de agentes activos. São conhecidos vários métodos de para a obtenção de hidrogéis, entre os quais reticulação obtida por acção de agentes quimicos que levam à formação de grupos ligados covalentemente, exposição a radiação ultravioleta de polímeros modificados com grupos metacrilato, gelificação iónica ou reticulação por variação de temperatura.Hydrogels are materials composed of hydrophilic polymer chains, which when crosslinked form a network with high water absorption capacity. Biomaterials in hydrogel form can be prepared using chemical and physical crosslinking methods. In this invention, the preparation of the hydrogels 18 is preferably carried out after deposition of the monomer / polymer precursor in the hydrophilic / superhydrophilic pattern of the substrate, as described previously for the porous structures. The deposition is followed by cross-linking of the monomer / polymer solution. These structures are useful in the development of implantable biomaterials and release of active agents. Various methods are known for obtaining hydrogels, among which are crosslinking obtained by chemical agents which lead to the formation of covalently linked groups, exposure to ultraviolet radiation of polymers modified with methacrylate groups, ionic gelling or cross-linking by temperature variation.
Como exemplo de hidrogéis são os hidrogéis de alginato usando soluções de ácido alginico em água em gamas de concentração de 1% a 3%, reticuladas iónicamente com diversas concentrações de cloreto de cálcio em concentrações de 1 M a 10 M.As an example of hydrogels are alginate hydrogels using solutions of alginic acid in water in ranges of 1% to 3% concentration, ionically crosslinked with various concentrations of calcium chloride in concentrations of 1 M to 10 M.
Os hidrogéis depositados podem também conter células encapsuladas, ou seja, células podem estar contidas no precursor polimérico ou monomérico dos hidrogéis antes do seu processamento. Nesse caso é necessário utilizar formas de reticulação que mantenham a viabilidade celular, como é o caso de reticulação de polímeros metacrilatados, como por exemplo no caso de polissacarídeos como quitosano, alginato, ácido hialurónico ou dextrano, por exposição a radiação ultravioleta ou visível. Outra possibilidade compatível com o encapsulamento celular é a gelificação iónica, que pode ser obtida, por exemplo, reticulando alginato com iões cálcio. Também materiais que gelificam perante variações de temperatura, por exemplo à base de gelatina, podem ser usados em aplicações envolvendo encapsulamento celular. 19The deposited hydrogels may also contain encapsulated cells, i.e., cells may be contained in the polymeric or monomeric precursor of the hydrogels prior to their processing. In this case it is necessary to use crosslinking forms which maintain cell viability, as in the case of crosslinking of methacrylate polymers, for example in the case of polysaccharides such as chitosan, alginate, hyaluronic acid or dextran, by exposure to ultraviolet or visible radiation. Another possibility compatible with cellular encapsulation is ionic gelation, which can be obtained, for example, by crosslinking alginate with calcium ions. Also materials which gel upon temperature variations, for example gelatin-based, can be used in applications involving cellular encapsulation. 19
As propriedades mecânicas dos hidrogéis e a sua capacidade de adsorção de água podem ser controladas variando o tempo de exposição ao reticulante ou a quantidade/intensidade do mesmo em cada uma das regiões hidrofílicas/super-hidrofílicas. É possível misturar-se distintos polímeros na mesma região hidrofílica/super-hidrofílica, incluindo polímeros de origem natural e polímeros sintéticos.The mechanical properties of the hydrogels and their water adsorption capacity can be controlled by varying the exposure time to the crosslinker or the amount / intensity thereof in each of the hydrophilic / superhydrophilic regions. Different polymers may be blended in the same hydrophilic / superhydrophilic region, including naturally occurring polymers and synthetic polymers.
Em cada região molhável poderão também ser depositados mais do que um polímero sequencialmente, de modo a que não haja mistura entre polímeros, resultando em camadas de biomateriais na mesma região molhável.In each wettable region more than one polymer may also be deposited sequentially so that there is no mixing between polymers resulting in layers of biomaterials in the same wettable region.
No caso de hidrogéis, as estruturas com mais de um polímero poderão ser obtidas, por exemplo, em forma de redes semi-interpenetradas ou redes interpenetradas. 0 processo da presente invenção tem aplicação na análise dos biomateriais depositados nos substratos tratados e padronizados e, em termos gerais, essa análise pode ser classificada em dois tipos: análise físico-química e análise da resposta biológica. Em ambos os casos, modificações ou adaptações nos equipamentos originalmente preparados para análise de amostras individuais poderão ser necessárias. Preferencialmente, as amostras deverão ser analisadas na plataforma, sem que a sua remoção e destruição sejam necessárias. 4.3. Análise dos biomateriaisIn the case of hydrogels, structures with more than one polymer may be obtained, for example, in the form of semi-interpenetrated networks or interpenetrated networks. The process of the present invention has application in the analysis of the deposited biomaterials in the treated and standardized substrates and in general terms this analysis can be classified into two types: physical-chemical analysis and analysis of the biological response. In both cases, modifications or adaptations to equipment originally prepared for analysis of individual samples may be required. Preferably, the samples should be analyzed on the platform, without their removal and destruction being necessary. 4.3. Biomaterials analysis
Quanto à análise físico-química dos biomateriais, no caso de estruturas porosas tridimensionais, a análise morfológica e quantificação de porosidade pode ser conseguida usando distintos métodos de análise estrutural, incluindo a microscopia electrónica de varrimento e microtomografia computorizada. 20As for the physical-chemical analysis of biomaterials, in the case of three-dimensional porous structures, morphological analysis and porosity quantification can be achieved using different methods of structural analysis, including scanning electron microscopy and computerized microtomography. 20
Para uma análise mecânica dos elementos depositados na plataforma podem-se utilizar métodos como ensaios de compressão estáticos, nanoindentação e microindentação. 0 comportamento viscoelástico das amostras pode ser analisado por análise mecânica dinâmica, quer em condições a seco, como em situações em que a amostra está imersa num meio liquido adequado.For a mechanical analysis of the elements deposited on the platform, methods such as static compression tests, nanoindentation and microindentation can be used. The viscoelastic behavior of the samples can be analyzed by dynamic mechanical analysis, either under dry conditions, or in situations where the sample is immersed in a suitable liquid medium.
Também para estruturas porosas e hidrogéis, a composição química e distribuição dos materiais na estrutura são factores determinantes para o comportamento celular. Para uma análise da composição atómica das estruturas, pode usar-se, por exemplo, a dispersão de energia de raios-X.Also for porous structures and hydrogels, the chemical composition and distribution of the materials in the structure are determining factors for the cellular behavior. For an analysis of the atomic composition of the structures, the dispersion of X-ray energy can be used, for example.
Para um mapeamento e caracterização química das estruturas sem recurso à destruição da plataforma, uma possibilidade é o uso de espectroscopia da transformada de Fourier de infravermelhos em modo microscópico. Neste equipamento, a plataforma é colocada numa mesa com movimentos possíveis nos eixos xyz, e um feixe de infravermelhos é incidido na amostra. 0 feixe transmitido é depois analisado e pode aceder-se ao tipo de ligações químicas existentes na porção analisada da estrutura, representadas pela intensidade de picos de transmissão de infravermelhos.For a mapping and chemical characterization of the structures without recourse to the destruction of the platform, one possibility is the use of infrared Fourier transform spectroscopy in microscopic mode. In this equipment, the platform is placed on a table with possible movements in the xyz axes, and an infrared beam is attached to the sample. The transmitted beam is then analyzed and the type of chemical bonds in the analyzed portion of the structure, represented by the intensity of infrared transmission peaks, can be accessed.
Para a análise do desempenho biológico dos biomateriais, duas possibilidades podem ser consideradas. No caso das estruturas porosas, as células são depositadas em cima do biomaterial processado no seu estado final na plataforma, em cada um dos padrões hidrofílicos/super-hidrofílicos. No caso dos hidrogéis, o mesmo procedimento pode ser realizado, ou as células podem ser directamente encapsuladas no hidrogel durante o seu processamento sobre a plataforma.For the analysis of the biological performance of biomaterials, two possibilities can be considered. In the case of porous structures, the cells are deposited on top of the processed biomaterial in its final stage on the platform in each of the hydrophilic / superhydrophilic patterns. In the case of hydrogels, the same procedure can be performed, or the cells can be directly encapsulated in the hydrogel during their processing on the platform.
Para averiguar a citocompatibilidade dos materiais, tal como a sua capacidade de suportar proliferação e migração celular, linhas celulares podem ser utilizadas, como por exemplo as 21 linhas pré-osteoblástica SaOs-2, fibroblástica L929 ou condral MTDC5.To ascertain the cytocompatibility of the materials, such as their ability to withstand cell proliferation and migration, cell lines can be used, for example 21 SaOs-2, fibroblast L929 or chondral MTDC5 pre osteoblastic lines.
Para uma aproximação ao comportamento real dos biomateriais em contacto com células e tecidos, linhas primárias ou estaminais podem ser utilizadas, assim como co-culturas. 0 processo da presente invenção possibilita também a utilização mais de um tipo de células em contacto com cada um dos materiais depositados na plataforma, caso os biomateriais sejam constituídos por camadas de materiais distintos.For an approximation to the actual behavior of the biomaterials in contact with cells and tissues, primary or stem lines may be used, as well as co-cultures. The process of the present invention also enables the use of more than one type of cells in contact with each of the materials deposited on the platform if the biomaterials are composed of layers of different materials.
No contexto desta invenção, a análise do comportamento celular será preferencialmente feita através de técnicas baseadas em tratamento de imagem, de modo a evitar a destruição da plataforma e para que a automatização das aquisição de imagem permita uma análise rápida dos resultados.In the context of this invention, the analysis of the cellular behavior will preferably be done by techniques based on image processing, in order to avoid the destruction of the platform and so that the automation of the image acquisition allows a rapid analysis of the results.
Para uma análise preliminar da viabilidade, actividade metabólica e proliferação das células, técnicas como marcação com Calceina AM e "4 ',6-diamidino-2-phenylindole" (DAPI) podem ser usadas em amostras bidimensionais e tridimensionais. Como controlos, quantificação de "3- (4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide)" (MTT) ou "3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-5-(3-carboxymethoxyphenyl)-2-(4-sulfophenyl)-2H tetrazolium" (MTS) reduzido/Alamar Blue e dsDNA, respectivamente, podem ser efectuados. Enquanto no estudo de viabilidade/actividade metabólica as células devem ser analisadas vivas, no estudo de proliferação, estas podem ser analisadas vivas ou fixadas. A morfologia das células pode ser estudada através de microscopia electrónica de varrimento ou microscopia confocal.For a preliminary analysis of viability, metabolic activity and cell proliferation, techniques such as labeling with Calcein AM and " 4 ', 6-diamidino-2-phenylindole " (DAPI) can be used in two-dimensional and three-dimensional samples. As controls, quantification of " 3- (4,5-dimethylthiazol-2-yl) -2,5-diphenyltetrazolium bromide) " (MTT) or " 3- (4,5-dimethylthiazol-2-yl) -5- (3-carboxymethoxyphenyl) -2- (4-sulfophenyl) -2H-tetrazolium " (MTS) / Alamar Blue and dsDNA, respectively, can be performed. While in the viability / metabolic activity study the cells must be analyzed live, in the proliferation study, these can be analyzed live or fixed. Cell morphology can be studied by scanning electron microscopy or confocal microscopy.
Numa análise de diferenciação, tomando como exemplo a diferenciação osteogénica (não estando, no entanto, a invenção 22 apenas restrita a este tipo de diferenciação) , após 21 dias ou mais de cultura celular, a análise de marcadores osteogénicos poderá ser efectuada através de imunofluorescência. Marcadores como colagénio tipo I, osteocalcina e fosfatase alcalina podem ser estudados.In a differentiation analysis, taking as an example osteogenic differentiation (although the invention is not restricted to this type of differentiation), after 21 days or more of cell culture, analysis of osteogenic markers may be performed by immunofluorescence . Markers such as collagen type I, osteocalcin and alkaline phosphatase can be studied.
Estudos de coloração para a procura de marcas fenotípicas de diferenciação, como cálcio (usando vermelho de Alizarina) e fosfatos (corante de Van Kossa) poderão também ser utilizados e os resultados observados por microscopia óptica, sem que seja necessária a remoção das estruturas de biomateriais do substrato da invenção.Coloring studies for the search for phenotypic differentiation markers, such as calcium (using Alizarin red) and phosphates (Van Kossa stain) may also be used and the results observed by optical microscopy, without the need to remove structures from biomaterials of the substrate of the invention.
Evitando a imersão da totalidade do substrato num poço com meio de cultura, pode também ser possível o estudo de diferentes meios de cultura, nomeadamente meios com diferentes aditivos como fármacos, moléculas tóxicas ou proteínas, em cada estrutura independente da plataforma. É também possível variar com o tempo o ambiente biológico em contacto os biomateriais através da aspiração/reposição de meios de culturas distintos nas estruturas bidimensionais ou tridimensionais. Os estudos posteriores serão os mesmos dos que foram indicados anteriormente.By avoiding immersion of the entire substrate in a well with culture medium, it may also be possible to study different culture media, namely media with different additives such as drugs, toxic molecules or proteins, in each platform independent structure. It is also possible to vary the biological environment in contact with biomaterials over time by aspirating / replacing media from distinct cultures in two-dimensional or three-dimensional structures. Further studies will be the same as those listed above.
Breve descrição das figurasBrief description of the figures
Figura 1. Imagem representativa de SEM para superfícies de poliestireno lisas (A) e rugosas com extrema repelência a líquidos (B). A micro- e nano-estrutura das superfícies super-hidrofóbicas foi obtida através da metodologia de separação de fases que consiste em dissolver o polímero com o solvente tetrahidrofurano, misturando posteriormente a solução obtida com um não-solvente (etanol) para forçar a precipitação do polímero. A precipitação do poliestireno leva a formação da superfície rugosa através da 23 formação de núcleos que provocam a diminuição da tensão superficial.Figure 1. Representative image of SEM for smooth polystyrene surfaces (A) and rough with extreme liquid repellency (B). The micro- and nano-structure of the superhydrophobic surfaces was obtained by the phase separation methodology consisting of dissolving the polymer with the tetrahydrofuran solvent, subsequently mixing the solution obtained with a non-solvent (ethanol) to force the precipitation of the polymer. The precipitation of the polystyrene leads to the formation of the rough surface through the formation of nuclei that causes the decrease of the surface tension.
Figura 2. (A) Representação esquemática sequencial usada para produzir substratos com extrema repelência a líquidos, padronizados com regiões molháveis para serem aplicados em testes de interacção entre células e proteínas. (B) Gotas de água com diferentes volumes desde 2 pL até 8 pL confinadas nas regiões molháveis produzidas por diferentes tempos de radiação UV/Ozono (UVO) desde 1 até 12 minutos.Figure 2. (A) Schematic sequential representation used to produce substrates with extreme liquid repellency, standardized with wettable regions to be applied in tests of interaction between cells and proteins. (B) Water droplets with different volumes from 2 pL to 8 pL confined in the wettable regions produced by different UV / Ozone (UVO) times from 1 to 12 minutes.
As superfícies repelentes a líquidos padronizadas com regiões molháveis foram produzidas usando máscaras com lxl mm2 com espaços abertos (Figura 2A) . A forma e a dispersão dos líquidos confinados nas regiões molháveis dependem do volume do líquido depositado e da molhabilidade. A Figura 2B mostra que para regiões com a mesma molhabilidade utilizando volumes superiores a 6 pL, os líquidos mantêm-se confinados nas zonas molháveis devido à forte diferença de tensão superficial com as zonas repelentes circundantes.Standard liquid repellent surfaces with wettable regions were produced using 1x1 mm2 open-space masks (Figure 2A). The shape and dispersion of the confined liquids in the wettable regions depends on the volume of the liquid deposited and the wettability. Figure 2B shows that for regions with the same wettability using volumes greater than 6 pL, the liquids remain confined in the wettable zones because of the strong difference in surface tension with the surrounding repellent zones.
Figura 3. (A) Medição dos ângulos de contacto da evolução da molhabilidade em função do tempo de irradiação UVO para superfícies de poliestireno lisas e rugosas. As imagens mostram gotas de água em cima da superfície rugosa (esquerda) e lisa (direita) em três níveis diferentes de exposição a radiação UVO. (B) Espectro XPS Cls da superfície superhidrofóbica (espectro em cima) sem exposição a radiação UVO e da mesma superfície após 12 minutos de exposição a radiação UVO (espectro em baixo). A modificação da molhabilidade da superfície foi adquirida através da exposição da superfície a radiações UV/Ozono (UVO). 0 espectro da superfície rugosa é dividido em dois picos que correspondem a grupos C-H e C-0 que estão centrados em 285.01 eV e 286.30 eV. Após 12 minutos de radiação UVO, são detectados mais dois grupos hidrofílicos C=0 e 0-C=0 que correspondem aos picos 287.90 eV e 289.26 eV, respectivamente. Os resultados são 24 consistentes com as modificações fotoquimicas dos grupos -CH3 das superfícies rugosas em grupos CHO, COOH e OH. A topografia das superfícies rugosas observadas por SEM (Figura 1B) não apresenta mudanças com a irradiação UVO. Contudo, as mudanças observadas nos ângulos de contacto (Figura 3A) são o resultado do aumento da hidrofilicidade do material durante a exposição UVO, devido à introdução dos grupos que contêm oxigénio na superfície.Figure 3. (A) Measurement of the contact angles of the evolution of wettability as a function of the UVO irradiation time for smooth and rough polystyrene surfaces. The images show water droplets on top of the rough surface (left) and smooth (right) on three different levels of exposure to UVO radiation. (B) Spectra XPS Cls of the superhydrophobic surface (spectrum above) without exposure to UVO radiation and of the same surface after 12 minutes of exposure to UVO radiation (spectrum below). Modification of surface wettability was achieved by surface exposure to UV / Ozone (UVO) radiation. The rough surface spectrum is divided into two peaks corresponding to C-H and C-O groups which are centered at 285.01 eV and 286.30 eV. After 12 minutes of UVO radiation, two more hydrophilic groups C = 0 and 0-C = 0 corresponding to peaks 287.90 eV and 289.26 eV respectively are detected. The results are consistent with the photochemical modifications of the -CH 3 groups of the roughened surfaces into CHO, COOH and OH groups. The topography of rough surfaces observed by SEM (Figure 1B) shows no changes with UVO irradiation. However, the observed changes in contact angles (Figure 3A) are the result of increased hydrophilicity of the material during UVO exposure, due to the introduction of the oxygen-containing groups on the surface.
Figura 4. Adsorção de albumina de soro humano, HSA (A) e fibronectina de plasma humano, HFN (B) após 2 horas de incubação em soluções com diferentes concentrações de proteína. Os diferentes símbolos são definidos em função do tempo da irradiação UVO. Os símbolos abertos correspondem às superfícies rugosas, e os símbolos preenchidos correspondem à superfície de polímero convencional que serve de controlo (superfície sem tratamento) . A adsorção cinética a 31° da HSA (C) e da HFN (D) nas superfícies rugosas após 6 minutos de radiação UVO usando soluções com diferentes concentrações de proteínas.Figure 4. Adsorption of human serum albumin, HSA (A) and human plasma fibronectin, HFN (B) after 2 hours of incubation in solutions with different concentrations of protein. The different symbols are defined as a function of the UVO irradiation time. The open symbols correspond to the roughened surfaces, and the filled symbols correspond to the conventional polymer surface which serves as the control (untreated surface). The 31 ° kinetic adsorption of HSA (C) and HFN (D) on rough surfaces after 6 minutes of UVO radiation using solutions with different concentrations of proteins.
Os resultados indicam que existe uma grande quantidade de proteína adsorvida nos primeiros 30 minutos, seguindo uma adsorção muito estável até as duas horas de contacto. A adsorção de proteínas no poliestireno convencional apresenta bastantes semelhanças com o poliestireno rugoso para o mesmo ângulo de contacto (após 3 minutos), mostrando que a topografia das superfícies com a mesma molhabilidade não apresenta influência significativa na adsorção de proteína. Para superfícies com extremas molhabilidades, a quantidade de proteína adsorvida é maior para superfícies que apresentam maior repelência a líquidos, mostrando que nas superfícies completamente molháveis (super-hidrofílicas) a adsorção de proteína é escassa.The results indicate that there is a large amount of protein adsorbed in the first 30 minutes, following a very stable adsorption up to two hours of contact. The adsorption of proteins in the conventional polystyrene shows quite similarities with the rough polystyrene at the same contact angle (after 3 minutes), showing that the topography of the surfaces with the same wettability does not have a significant influence on the protein adsorption. For surfaces with extreme wettability, the amount of adsorbed protein is higher for surfaces that exhibit greater liquid repellency, showing that on protein-free (superhydrophilic) surfaces protein adsorption is scarce.
Figura 5. (A) Imagem obtida por microscopia de fluorescência da superfície com extrema repelência a líquidos padronizada com regiões molháveis, onde 4yL de soluções de (Ai) HSA e (Aii) de HFN com diferentes concentrações (eixo vertical) foram depositadas durante diferentes tempos de adsorção (eixo 25 horizontal) . (Aiii) Diferentes combinações de HSA e HFN foram depositadas nas regiões molháveis das superfícies repelentes a líquidos onde diferentes quantidades relativas (eixo vertical) e diferentes concentrações de proteína (eixo horizontal) foram utilizadas. (Bi) Imagem obtida pelo microscópio de confocal de células SaOs-2 cultivadas durante 4 horas nas regiões molháveis da plataforma com diferentes quantidades de proteínas pré-adsorvidas (equivalente à micro-matriz Aiii). (Bii) Representação do mapa de intensidade para o número de células em cada região molhável que corresponde à mesma matriz testada com diferentes concentrações de proteína. Escala: 500 ym.Figure 5. (A) Image obtained by fluorescence microscopy of the surface with extreme liquid repellency standardized with wettable regions, where 4and L of solutions of (Ai) HSA and (Aii) of HFN with different concentrations (vertical axis) were deposited during different adsorption times (horizontal axis 25). (Aiii) Different combinations of HSA and HFN were deposited in the wettable regions of the liquid repellent surfaces where different relative amounts (vertical axis) and different concentrations of protein (horizontal axis) were used. (Bi) Image obtained by the confocal microscope of SaOs-2 cells cultured for 4 hours in the wettable regions of the platform with different amounts of preadsorbed proteins (equivalent to the micro-matrix Aiii). (Bii) Map of intensity map for the number of cells in each wettable region that corresponds to the same matrix tested with different concentrations of protein. Scale: 500 ym.
Foram depositadas diferentes soluções com diferentes quantidades relativas e concentrações de HSA/HFN. A amostra relativa ao substrato tratado contendo deposição de proteína pré-adsorvida foi lavada com solução tampão com pH fisiológico e observada no microscópio de fluorescência. A coluna de controlo foi analisada sem proteína pré-adsorvida onde diferentes números de células foram depositadas.O número de células fixadas em cada ponto é maior para maiores quantidades de HFN pré-adsorvida, ou em superfícies onde a quantidade relativa de HFN no rácio HFN/HSA é maior.Different solutions were deposited with different relative amounts and concentrations of HSA / HFN. The sample on the treated substrate containing pre-adsorbed protein deposition was washed with buffer solution at physiological pH and observed under a fluorescence microscope. The control column was analyzed without pre-adsorbed protein where different numbers of cells were deposited. The number of cells fixed at each point is higher for larger amounts of pre-adsorbed HFN, or on surfaces where the relative amount of HFN in the HFN ratio / HSA is higher.
Diferentes biomateriais poliméricos foram igualmente testados utilizando volumes distintos de soluções nas regiões molháveis da superfície repelente (Figura 2B) . Esta plataforma pode ser integrada em testes que envolvem uma grande quantidade de substâncias para serem testadas sob distintas condições biológicas.Different polymeric biomaterials were also tested using different volumes of solutions in the wettable regions of the repellent surface (Figure 2B). This platform can be integrated in tests that involve a great amount of substances to be tested under different biological conditions.
Descrição detalhada da invenção 1. Tratamento e padronização das superfícies repelentes a água 26DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 1. Treatment and standardization of water repellent surfaces 26
No âmbito da presente invenção superfícies super-hidrofóbicas são tratadas e padronizadas de forma a se obter na mesma superfície regiões com diferentes tensões de superfície. A padronização das superfícies com elevada repelência a água com regiões molháveis é realizada pela configuração de uma máscara, sobre o substrato super-hidrofóbico, gue apresenta zonas abertas, para a exposição ao tratamento da superfície do substrato seleccionado e definição de zonas com diferentes tensões superficiais através de irradiação UVO ou plasmas. 0 tempo de exposição de radiação UVO varia normalmente entre os 0 e 14 minutos. A modificação superficial pode ser igualmente realizada com plasma de Argon, a uma potência de 30 W e pressão de 0.2 mbar, variando o tempo de exposição de cada secção da superfície entre 0 a 150 segundosWithin the scope of the present invention superhydrophobic surfaces are treated and standardized in order to obtain regions having different surface tensions on the same surface. The standardization of surfaces with high water repellency with wettable regions is accomplished by the configuration of a mask on the superhydrophobic substrate with open zones for exposure to the treatment of the surface of the selected substrate and definition of zones with different surface tensions through UVO irradiation or plasmas. The UV radiation exposure time varies normally between 0 and 14 minutes. The surface modification can also be performed with Argon plasma at a power of 30 W and a pressure of 0.2 mbar, varying the exposure time of each section of the surface between 0 and 150 seconds
As máscaras aplicadas definem diferentes dimensões e formas geométricas, sendo as referidas dimensões e formas desenhadas através da colocação de fita adesiva ou outra película resistente ao tratamento para o aumento da hidrofobicidade nas zonas a proteger, i.e. nas zonas não sujeitas a tratamento.The applied masks define different dimensions and geometric shapes, said dimensions and shapes being drawn by placing adhesive tape or other treatment resistant film to increase the hydrophobicity in the areas to be protected, i.e. in the untreated zones.
As regiões definidas pela máscara têm preferencialmente uma dimensão entre 200 pm-3mm, mais preferencialmente entre 400ym e 1.5mm ou ainda mais preferencialmente entre 0.5-1 mm. 2. Preparação dos biomateriais São preparadas soluções ou suspensões preferencialmente de base aguosa de biomateriais que podem incluir proteínas, polissacarídeos e polímeros e/ou combinações destes. 27 3. Deposição dos biomateriaisThe regions defined by the mask preferably have a dimension between 200 μm-3 mm, more preferably between 400 μm and 1.5 mm or even more preferably between 0.5-1 mm. 2. Preparation of Biomaterials Solutions or suspensions are preferably prepared with an aqueous basis of biomaterials which may include proteins, polysaccharides and polymers and / or combinations thereof. 27 3. Deposition of biomaterials
Gotas de solução ou suspensão de biomateriais com dimensões entre 5 yL e 15 yL são depositadas nas regiões molháveis, através, por exemplo de micropipetagem ou outra técnica conhecida que permita gerar e depositar gotas liquidas sobre uma superfície.Droplets of solution or suspension of biomaterials having dimensions between 5 and 15 and 15 and L are deposited in the wettable regions, for example by micropipetting or other known technique to generate and deposit liquid droplets on a surface.
Para a obtenção de filmes bidimensionais, a deposição dos biomateriais pode ser efectuada por técnica LbL.To obtain two-dimensional films, deposition of the biomaterials can be done by LbL technique.
Noutra realização preferencial da invenção, os biomateriais depositados no substrato são tratados através de técnicas de liofilização, lixiviação ou reticulação.In another preferred embodiment of the invention, the biomaterials deposited on the substrate are treated by lyophilization, leaching or cross-linking techniques.
Após o tratamento para a obtenção da sua forma final, o material depositado sobre o substrato tratado é em seguida imerso preferencialmente em meio de cultura celular, em atmosfera com baixo CO2, a temperaturas entre 30 e 40°C, mais preferencialmente entre 35 e 38°C e ainda mais preferencialmente a +/- 37°C, numa atmosfera contendo menos de 15% de CO2, preferencialmente menos de 10% de CO2 e ainda mais preferencialmente menos de 5% de CO2.After treatment to obtain its final form, the material deposited on the treated substrate is then preferably immersed in cell culture medium in a low CO2 atmosphere at temperatures between 30 and 40øC, more preferably between 35 and 38 And even more preferably at +/- 37 ° C, in an atmosphere containing less than 15% CO 2, preferably less than 10% CO 2 and still more preferably less than 5% CO 2.
Opcionalmente, o material biológico é fixado através de adição/exposição a um solvente orgânico (como por exemplo formaldeído ou glutaraldeído) e/ou corados com material adequado ao produto biológico em questão, para seguimento e identificação do mesmo. 4. Caracterização dos produtos ou artigos obtidosOptionally, the biological material is fixed by addition / exposure to an organic solvent (such as formaldehyde or glutaraldehyde) and / or stained with material suitable for the biological product in question, for tracking and identification thereof. 4. Characterization of products or articles obtained
De acordo com o processo da presente invenção são obtidos produtos com estrutura bidimensional, resultado do depósito de 28 biomateriais sobre substratos tratados de acordo com a presente invenção, usando por exemplo uma micropipeta.According to the process of the present invention two-dimensional structure products are obtained, resulting from the deposition of biomaterials on substrates treated in accordance with the present invention, using, for example, a micropipette.
Numa realização preferencial da invenção os produtos com estrutura biodimensional incluem filmes obtidos por evaporação de solvente ou por LbL.In a preferred embodiment of the invention products having a bi-dimensional structure include films obtained by solvent evaporation or by LbL.
Noutro aspecto da presente invenção, são obtidos produtos com estrutura tridimensional, porosa ou hidrogéis, através de técnicas de liofilização, lixiviação ou reticulação.In another aspect of the present invention, three-dimensional porous or hydrogel structures are obtained by lyophilization, leaching or cross-linking techniques.
Numa realização preferencial da invenção, os hidrogéis compreendem o biomaterial encapsulado, como por exemplo células encapsuladas.In a preferred embodiment of the invention, the hydrogels comprise the encapsulated biomaterial, such as encapsulated cells.
Noutra realização preferencial da invenção, os hidrogéis compreendem agentes bioactivos encapsulados, como por exemplo fármacos, factores de crescimento, ácidos nucleicos, péptidos ou genes.In another preferred embodiment of the invention, the hydrogels comprise encapsulated bioactive agents, such as, for example, drugs, growth factors, nucleic acids, peptides or genes.
Numa outra realização preferencial da invenção, os produtos porosos incluem agentes bioactivos misturados com o precursor do biomaterial antes do seu processamento que lhe confere a porosidade. Os agentes bioactivos poderão também ser imobilizados ou adsorvidos após o processamento do biomaterial como estrutura porosa. Estão incluídos agentes bioactivos como por exemplo factores de crescimento, fármacos, péptidos ou proteínas. Preferencialmente, suspensões com células deverão ser depositadas sobre os produtos porosos após o seu processamento final. 5. Aplicação dos produtos ou artigosIn another preferred embodiment of the invention, the porous products include bioactive agents mixed with the precursor of the biomaterial prior to its processing which confers the porosity. The bioactive agents may also be immobilized or adsorbed after processing the biomaterial as a porous structure. Included are bioactive agents such as growth factors, drugs, peptides or proteins. Preferably, suspensions with cells should be deposited on the porous products after their final processing. 5. Application of products or articles
Os substratos tratados de acordo com o processo da presente invenção, têm aplicações em áreas de de desenvolvimento de 29 biomateriais, uma vez que possibilitam a deposição de diferentes combinações de biomateriais e meios líquidos.Substrates treated according to the process of the present invention have applications in areas of development of biomaterials since they enable the deposition of different combinations of biomaterials and liquid media.
Em particular, os substratos tratados da presente invenção são especialmente úteis em aplicações que exijam combinações de biomateriais e meios de cultura.In particular, the treated substrates of the present invention are especially useful in applications requiring combinations of biomaterials and culture media.
Desta forma, e devido às diferentes combinações entre biomateriais e distintos meios em que se encontram em solução ou suspensão, quando depositados nos substratos tratados de acordo com a presente invenção, apresentam características que os diferenciam dos produtos ou artigos compreendidos no estado da técnica, que apenas incluem combinações individuais de um biomaterial com um meio de cultura aplicados à superfície do substrato.In this way, and due to the different combinations between biomaterials and different media in which they are in solution or suspension, when deposited on the substrates treated in accordance with the present invention, they have characteristics that differentiate them from the products or articles included in the state of the art, which only include individual combinations of a biomaterial with a culture medium applied to the surface of the substrate.
Numa aplicação preferencial dos produtos da presente invenção, inclui-se a utilização para análise rápida e expedita de propriedades químicas, físicas ou biológicas dos materiais.In a preferred application of the products of the present invention, use is included for rapid and expeditious analysis of the chemical, physical or biological properties of the materials.
Noutra aplicação preferencial da presente invenção, inclui-se a aplicação em bioengenharia. Em particular, numa aplicação ainda mais preferencial da presente invenção, inclui-se o desenvolvimento de biomateriais implantáveis ou materiais de libertação de agentes activos.In another preferred application of the present invention, application in bioengineering is included. In yet still more preferred application of the present invention, the development of implantable biomaterials or active agent releasing materials is included.
ExemplosExamples
Exemplo 1 - Obtenção de superfícies super-hidrofóbicasExample 1 - Obtaining superhydrophobic surfaces
No âmbito da presente invenção superfícies de diferentes polímeros foram tratados, obtendo no final do tratamento um ângulo de contacto superior a 110°, preferencialmente superior a 150°. Dois polímeros foram usados: poliestireno e poliácido láctico. 30 1.1 Superfícies de poliestirenoWithin the scope of the present invention surfaces of different polymers have been treated, obtaining at the end of the treatment a contact angle greater than 110Â °, preferably greater than 150Â °. Two polymers were used: polystyrene and lactic polyacid. 30 1.1 Polystyrene surfaces
As superfícies de elevada repelência a água de poliestireno foram obtidas usando placas de poliestireno cortadas de placas de Petri comerciais, com ângulo de contacto original médio de 98.9°. Estas foram tratadas com uma solução composta por poliestireno dissolvido em tetrahidrofurano (solvente do poliestireno) a uma concentração de 70 mg/mL, à qual foi misturada depois etanol (não-solvente do poliestireno), numa reacção de separação de fase.The high water repellency surfaces of polystyrene were obtained using polystyrene plates cut from commercial Petri dishes, with average original contact angle of 98.9 °. These were treated with a solution composed of polystyrene dissolved in tetrahydrofuran (polystyrene solvent) at a concentration of 70 mg / mL, to which ethanol (non-solvent of polystyrene) was then mixed in a phase separation reaction.
Após o espalhamento da solução na placa inicial de poliestireno, a solução é retirada e toda a placa é imersa em etanol puro. A placa tratada é depois seca sob um fluxo de azoto. As superfícies obtidas apresentavam ângulos de contacto superiores a 150°, nomeadamente com um valor médio de 156.2°. A análise das superfícies tratadas por microscopia electrónica de varrimento permitiu observar a formação de estruturas hierárquicas às micro- e nano-escalas: esferas com diâmetros compreendidos entre 50 nm e 200 nm aglomerados em estruturas de maior dimensão puderam ser observados. 1.2 Superfícies de ácido poli-lácticoAfter spreading the solution on the initial polystyrene plate, the solution is withdrawn and the entire plate is immersed in pure ethanol. The treated plate is then dried under a stream of nitrogen. The surfaces obtained had contact angles of more than 150 °, in particular with an average value of 156.2 °. The analysis of the surfaces treated by scanning electron microscopy showed the formation of hierarchical structures at the micro- and nanoscales: beads with diameters between 50 nm and 200 nm agglomerated in larger structures could be observed. 1.2 Surfaces of poly lactic acid
Superfícies de elevada repelência a água foram também obtidas por reacções de inversão de fase usando um polímero biodegradável, como o poli(L-ácido láctico) (PLLA). Grãos de poliácido láctico foram aquecidos acima da sua temperatura de fusão (173-178 °C) enquanto são comprimidos de modo a obter filmes poliméricos homogéneos.High water repellency surfaces were also obtained by reversing phase reactions using a biodegradable polymer, such as poly (L-lactic acid) (PLLA). Lactic polyacid grains were heated above their melting temperature (173-178 ° C) while being compressed in order to obtain homogeneous polymer films.
Para aumentar a sua repelência a água, misturas de PLLA com dioxano a 10% (massa/volume) foram espalhadas nos filmes lisos de PLLA e após alguns segundos as amostras foram imersas em 31 etanol puro de modo a provocar uma separação de fase. Após a total secagem das amostas, a película que reveste a superfície foi removida e obteve-se uma estrutura com micro- e nano-rugosidade, levando as superfícies a apresentar com ângulo de contacto médio de 153.6°.To increase its water repellency, mixtures of PLLA with 10% (mass / volume) dioxane were spread on PLLA plain films and after a few seconds the samples were immersed in pure ethanol so as to cause a phase separation. After total drying of the beads, the film coating the surface was removed and a structure with micro- and nano-roughness was obtained, bringing the surfaces to be presented with a mean contact angle of 153.6 °.
Exemplo 2 - Tratamento e padronização das superfícies super-Example 2 - Treatment and standardization of super-
hidrofóbicas 2.1 Por irradicação com UVO2.1 By irradiation with UVO
Para a padronização das superfícies com elevada repelência a água com regiões molháveis, foi usada uma foto-máscara plástica com quadrados abertos lxl mm2, separados por 1 mm. 0 tempo de exposição a radiação UVO foi variado entre 0 e 14 minutos, sendo nessa gama registados valores de ângulo de contacto em todos os minutos, permitindo uma variação do ângulo de contacto das superfícies de aproximadamente 156°(correspondente a 0 minutos de exposição a radiação UVO) a aproximadamente 0° (correspondente a exposição de 14 minutos a radiação UVO).For the standardization of surfaces with high water repellency with wettable regions, a plastic photo-mask with open squares 1x1 mm2, 1 mm apart, was used. The UVO radiation exposure time was varied from 0 to 14 minutes, with contact angle values being recorded in all the minutes, allowing a variation of the surface contact angle of approximately 156 ° (corresponding to 0 minutes exposure to UVO radiation) at approximately 0 ° (corresponding to the exposure of 14 minutes to UVO radiation).
Após o tratamento das superfícies com diferentes tempos de exposição a radiação UVO, foi utilizado novamente o método da gota Sessile para comprovar e quantificar o decréscimo no ângulo de contacto das superfícies. Além disso, efectuou-se também espectroscopia fotoelectrónica de raios-X(XPS) com um ângulo de 90° em relação à amostra, com uma energia constante de 100 eV para análise geral e 20 eV para análise de elevada resolução. Esta análise permitiu observar a redução ou aumento de grupos funcionais na amostra de poliestireno que se formam com o tratamento superficial com radiação UVO. 32 2.2 Por aplicação de plasma de argon 0 gradiente de tensão superficial do substrato seleccionado foi obtido por tratamento com plasma de Argon, a uma potência de 30 W e pressão de 0.2 mbar.After treatment of the surfaces with different exposure times to UVO radiation, the Sessile drop method was used again to verify and quantify the decrease in the contact angle of the surfaces. In addition, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was also performed at a 90 ° angle to the sample, with a constant energy of 100 eV for general analysis and 20 eV for high resolution analysis. This analysis allowed to observe the reduction or increase of functional groups in the polystyrene sample that are formed with the superficial treatment with UVO radiation. 2.2. By application of argon plasma The surface tension gradient of the selected substrate was obtained by treatment with Argon plasma at a power of 30 W and a pressure of 0.2 mbar.
De modo a obter o gradiente de molhabilidade, uma máscara foi deslizada pelo comprimento da amostra de PLLA com elevada repelência a água, variando o tempo de exposição de cada secção da superfície ao tratamento superficial. Assim, o tempo de exposição a plasma foi variado de 0 a 150 segundos, e dentro dessa gama de tempos de exposição uma variação de ângulo de contacto de 153.6° a 0° foi observada.In order to obtain the wettability gradient, a mask was slid across the length of the PLLA sample with high water repellency, varying the exposure time of each section of the surface to the surface treatment. Thus, the exposure time to plasma was varied from 0 to 150 seconds, and within that range of exposure times a contact angle variation of 153.6 ° to 0 ° was observed.
Exemplo 3 - Preparação das soluções ou suspensões contendo biomateriaisExample 3 - Preparation of solutions or suspensions containing biomaterials
No âmbito da presente invenção, a adsorção de proteínas presentes no plasma humano foi testada nas regiões molháveis de substratos de poliestireno tratado com radiação UVO através de máscaras, em particular de filmes plásticos, com regiões abertas de 1 mm2 durante 6 minutos.Within the scope of the present invention, the adsorption of proteins present in human plasma was tested on the wettable regions of polystyrene substrates treated with UVO radiation through masks, in particular plastic films, with open regions of 1 mm2 for 6 minutes.
Soluções de albumina do soro humano (HSA) e fibronectina do plasma humano (HFN) foram preparadas em solução tampão com pH fisiológico a concentrações de 10 mg/mL, 20 mg/mL, 30 mg/mL, 40 mg/mL e 50 mg/mL. A HSA foi adequirida com marcação fluorescente verde de isotiocianato de fluoreceina. A HFN foi marcada em laboratório com o "kit" de marcação de proteínas Alexa Fluor 555.Human serum albumin (HSA) and human plasma fibronectin (HFN) solutions were prepared in buffer at physiological pH at concentrations of 10 mg / mL, 20 mg / mL, 30 mg / mL, 40 mg / mL and 50 mg / ml. HSA was suitably fluorescent green fluorescently labeled with isothiocyanate. HFN was labeled in the laboratory with " kit " protein markers Alexa Fluor 555.
Exemplo 4 - Deposição de biomateriais em substratos tratadosExample 4 - Deposition of biomaterials on treated substrates
Diferentes combinações de biomateriais e líquidos de cultura foram individualmente depositadas e limitadas nas regiões 33 molháveis (hidrofílicas) , como resultado do forte contraste de molhabilidades entre a amostra inicial e as regiões modificadas, como observado na Figura 2B.Different combinations of biomaterials and culture liquids were individually deposited and limited in the wettable (hydrophilic) regions, as a result of the strong wettability contrast between the initial sample and the modified regions, as seen in Figure 2B.
As superfícies repelentes foram padronizadas usando radiação UV/Ozono (UVO) (Figura 3) de modo a modificar a molhabilidade da superfície. A quantidade de proteína adsorvida nas superfícies com diferentes molhabilidades (Figura 4 A-B) foi avaliada de modo a analisar rapidamente o efeito da concentração de proteína e o tempo de adsorção (Figura 4 C-D). Outros estudos paralelos de adsorção de HSA e HFN também foram realizados em substratos com diferentes molhabilidades entre a gama de superhidrofóbicos -superhidrofílicas.Repellent surfaces were standardized using UV / Ozone (UVO) (Figure 3) in order to modify surface wettability. The amount of protein adsorbed on surfaces with different wettability (Figure 4A-B) was evaluated to rapidly analyze the effect of protein concentration and adsorption time (Figure 4C-D). Other parallel adsorption studies of HSA and HFN were also carried out on substrates with different wettability among the superhydrophobic-superhydrophilic range.
Diferentes combinações de HSA e HFN foram adsorvidas nas regiões molháveis da plataforma, como visto na Figura 5A i-ii. A quantificação da adsorção de proteína nas superfícies controlo (de diâmetro 13 mm) de modo isolado foi realizada através do método de Bradford. Neste caso, apenas estudos isolados de adsorção foram realizados, isto é, na mesma superfície apenas existia HSA ou HFN, e nunca as duas em simultâneo.Different combinations of HSA and HFN were adsorbed on the wettable regions of the platform, as seen in Figure 5A i-ii. Quantification of protein adsorption on control surfaces (diameter 13 mm) alone was performed by the Bradford method. In this case, only isolated adsorption studies were performed, ie on the same surface only HSA or HFN existed, and never both simultaneously.
Os ensaios realizados nas superfícies controlo com 6 minutos de exposição a radiação UVO foram reproduzidos nas regiões molháveis da plataforma para análise expedita no âmbito desta invenção. Neste caso, estudos competitivos de adsorção de proteína, nos quais HSA e HFN foram colocados em diferentes rácios nas regiões molháveis, foram também realizados. A observação das proteínas coradas com moléculas fluorescentes reflectidas a diferentes comprimentos de onda (correspondentes à cor verde e à cor vermelha, respectivamente) foi efectuada 34 usando um microscópio de fluorescência com análise de luz reflectida.Assays performed on the control surfaces with 6 minutes exposure to UVO radiation were reproduced in the wettable regions of the platform for expedited analysis within the scope of this invention. In this case, competitive studies of protein adsorption, in which HSA and HFN were placed in different ratios in the wettable regions, were also performed. Observation of stained proteins with fluorescent molecules reflected at different wavelengths (corresponding to green color and red color, respectively) was performed using a fluorescence microscope with reflected light analysis.
Posteriormente, aquando da deposição das células nas zona hidrofilicas, a sua quantificação foi possível através também da análise de imagens obtidas por microscopia de fluorescência. Os núcleos celulares foram corados usando DAPI, que reflecte a um comprimento de onda correspondente à cor azul.Subsequently, during the deposition of the cells in the hydrophilic zones, their quantification was possible through the analysis of images obtained by fluorescence microscopy. The cell nuclei were stained using DAPI, which reflects a wavelength corresponding to the blue color.
Exemplo 5 - Deposição de células fibroblásticas encapsuladas em hidrogeisExample 5 - Deposition of fibroblast cells encapsulated in hydrogels
Substratos idênticos aos do Exemplo 1 foram padronizados utilizando radiação UVO durante 14 minutos. Uma solução de alginato 1% (massa/volume) foi preparada em meio de cultura com uma suspensão de células fibroblásticas (L929). Soluções de diferentes concentrações (1%, 1.5% e 2% (massa/volume)) em solução tampão a pH fisiológico de colagénio foram preparadas separadamente. A solução de alginato 1% foi depositada juntamente com uma das soluções de colagénio em cada uma das regiões molháveis em diferentes rácios alginato:colagénio (25:75; 50:50; 100:0) numa lógica gota-a-gota, formando um total de 5 μΐ por região molhável. O alginato em cada região molhável foi reticulado com uma gota de 1 M de cloreto de cálcio, sendo assim formadas hidrogéis (redes semi-interpenetradas) com células encapsuladas. Meio de cultura foi adicionado a cada região. Após 24 horas e 48 horas de cultura celular, as células foram avaliadas na sua viabilidade usando calceina AM, e na sua proliferação usando DAPI. A recolha de imagens foi realizada num microscópio de fluorescência e a quantificação de células usando um programa informático para análise de imagem. 35Substrates identical to those in Example 1 were standardized using UVO radiation for 14 minutes. A solution of 1% alginate (mass / volume) was prepared in culture medium with a suspension of fibroblast cells (L929). Solutions of different concentrations (1%, 1.5% and 2% (mass / volume)) in physiological pH collagen buffer solution were prepared separately. The 1% alginate solution was deposited together with one of the collagen solutions in each of the wettable regions at different alginate: collagen ratios (25:75, 50:50, 100: 0) in a dropwise manner, forming a total of 5 μΐ per wettable region. The alginate in each wettable region was crosslinked with a 1 M drop of calcium chloride, whereby hydrogels (semi-interpenetrated networks) were formed with encapsulated cells. Culture medium was added to each region. After 24 hours and 48 hours of cell culture, the cells were evaluated for viability using calcein AM, and in their proliferation using DAPI. The imaging was performed under a fluorescence microscope and the quantification of cells using a computer program for image analysis. 35
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