Development and Characterization of Bioprintable Physiomimetic Scaffolds for Tissue Engineering

Abstract

[eng] Tissue engineering is a field of study in which engineers use technology to mimic the structure of human tissue as closely as possible. The development of 3D tissue culture is a major area of research because cells behave differently in 3D microenvironments compared to 2D microenvironments. Natural and synthetic polymers can be processed to be 3D printable and form hydrogels. Tissue decellularization is a commonly used method to isolate extracellular matrix (ECM). To create functional 3D tissues, cells need to be embedded in the ECM. The mechanics of the ECM can modulate physiological processes, so characterization of biomaterials for tissue-engineered scaffolds must be done at both macroscopic and microscopic scales. Bioprinting using additive manufacturing (3D printing) is a widely used method in biomedical research to create, replace, or regenerate damaged tissues. Different biomaterials or cell-laden solutions can be deposited layer by layer with precision using 3D bioprinting, which has opened the door to personalized medicine. Biocompatible synthetic materials are also available and have tunable properties, making them good candidates for use in 3D printing. In this thesis, we hypothesize that we can develop a hydrogel that mimics the mechanical properties of cardiac tissue using collagen type I (COL I) as the main component. Furthermore, this thesis hypothesizes that 3D printed synthetic composites are suitable for direct culture of stem cells on them, showing cell viability and osteocalcin markers after several days of culture. Therefore, the main objective of this work is to develop and characterize the mechanical properties of biomaterials for 3D bioprinting. To this end, a protocol for decellularization of porcine myocardium was

developed for the development of ECM-derived hydrogels. In addition, a protocol for the addition of silkworm silk dissolved in COL I hydrogels was developed to modify the stiffness and printability of the scaffolds and to characterize the multi-scale mechanical properties. Finally, printable synthetic composites suitable for direct cell culture on their surfaces have been developed.

[spa] La ingeniería de tejidos es un campo de estudio que, entre otras cosas, busca utilizar la tecnología para imitar la estructura del tejido humano. El desarrollo del cultivo celular en 3D es uno de los principales campos de investigación, ya que las células se comportan de forma diferente en microambientes 3D que en microambientes 2D. La descelularización de tejidos es un método muy utilizado para aislar la matriz extracelular (ECM). Para crear tejidos tridimensionales funcionales es necesario embeber las células en la ECM. La mecánica de la ECM puede modular los procesos fisiológicos, por lo que la caracterización de los biomateriales para estructuras de ingeniería tisular debe hacerse tanto a escala macroscópica como microscópica. La bioimpresión es un método muy utilizado en la investigación biomédica para crear, sustituir o regenerar tejidos dañados. Mediante la bioimpresión 3D pueden depositarse con gran precisión, capa por capa, distintos biomateriales con o sin células en su interior, lo que abre la puerta a la medicina personalizada. También existen materiales sintéticos biocompatibles y con propiedades ajustables, lo que los convierte en buenos candidatos para la impresión 3D. En esta tesis, planteamos la hipótesis de que podemos desarrollar un hidrogel que alcance la rigidez del tejido cardíaco utilizando colágeno tipo I (COL I) como componente principal. Además, esta tesis plantea también la hipótesis de que los materiales compuestos sintéticos impresos en 3D son adecuados para el cultivo directo de células madre sobre ellos. El objetivo principal de este trabajo es desarrollar y caracterizar las propiedades mecánicas de biomateriales para bioimpresión 3D. Para ello, se desarrolló un protocolo de descelularización de miocardio porcino para obtener hidrogeles derivados de ECM. Además, se desarrolló un protocolo para la adición de seda disuelta en hidrogeles de COL I para modificar la rigidez y la printabilidad, así como caracterizar sus propiedades mecánicas multiescalares. Por último, se han desarrollado compuestos sintéticos imprimibles aptos para el cultivo celular directo sobre su superficie.